箔片式气体动压轴承专利技术综述

郭酝 张云芳

摘要：箔片气体动压轴承是一种利用空气作为润滑介质，利用箔片结构作为弹性支撑的气体动压滑动轴承。箔片轴承气动压力产生的机理是比较简单 的，在转子和箔片内壁面间的空气楔内产生一个气动压力，用来支撑转子欺负并承载加给轴承的载荷。与传统意义上的空气轴承相比，其本质区别便是采 用了有弹性的箔片作为支撑元件，工作时能够自动吸入空气产生动压承载力，不需要额外的供压系统;并且箔片的变形和相互之间摩擦力的作用，还可使 轴承具有高的稳定性和耐振动冲击能力。

关键词：轴承;箔片;气体;动压

1、箔片式气体动压轴承技术原理

箔片气体轴承是一种利用空气作为润滑介质，利用箔片结构作为弹性 支承的气体动压滑动轴承。箔片轴承气动压力产生的机理是比较简单的，当转子相对于箔片结构运动时，在转子和箔片内壁面间的空气楔内产生一 个气动压力，用来支承转子起浮并承载施加给轴承的载荷。最早的空气轴 承是于 1969年由 Garrett AiResearch应用于飞机空气循环装置的高速转子上 的。运行的经验表明，箔片軸承的性能要好于之前被广泛应用的滚动轴承。经过数十年的改进，相对于传统的滚动轴承，安装有箔片轴承的高速透平 机械的稳定性要提高了十倍以上。使用这种透平机械的空气制冷机（Air Cycle Machine ）被 广 泛 的应 用 于 军 用 和 民用 飞 机 的 环境控制 系 统 （Environmental Control System）。如图 1 是最有代表性的悬臂式和波箔式箔 片气体轴承。

2、箔片式气体动压轴承技术优缺点

箔片气体轴承相对于传统轴承有着很大的性能优势，是发展高转速，复杂工况和轻型化转子系统的迫切需要。长久以来，采用空气润滑原理的 气体静压轴承和气体动压刚性表面轴承发展迅速，但两者在简化转子系统 同时也带来了新的技术问题和应用困难。比起传统的空气轴承，箔片气体 轴承具有以下特点：

（1） 较高的承载力：一般的轴承当转速过大时，转子会出现失稳并受 到破坏。而箔片轴承由于箔片结构的存在，转子在最小气膜厚度为几微米 的情况下依然能够稳定运行，转速可以增加到几十万转，使轴承具有较大 的承载力。

（2）较高的稳定性：箔片结构不仅能为轴承系统提供足够的刚度和阻 尼，并且能自适应转子的热膨胀变形及离心力作用，从而使箔片轴承的稳 定性要高于传统的刚性表面气体轴承。

（3） 环境适应性强：由于润滑介质为空气，其物性参数对温度、辐射 等不敏感，环境中的飞尘和沙粒也不会在轴承内部堆积，所以在高温、低 温、受污染或存在辐射等情况下依然能够提供稳定的承载力。

（4） 使用寿命长：滚动轴承在高转速下磨损大，寿命短。箔片气体轴 承由于使用空气作为润滑介质，磨损小，寿命长。轴承的使用寿命和运行 时间无关，只和启停次数相关。

（5）高转速下稳定运行：低刚度的箔片与较之箔片轴承有更火刚度的 轴相配合，能使得轴系在第一、第二临界转速下转子振型呈刚体型。与转 子设计转速相比一、二阶临界转速是非常低的，但第三阶临界转速却比设 计转速高得多。这样转子运行稳足运行区间较大，在高转速下可以稳记运行。

到目前为止，对于箔片轴承的研究依然面临三大难题：

（1）足够的承载力;轴承的承载力是和转速密切相关的，转速越大，转子表面和轴承内壁面的相对速度越大，动压效应越强，则承载力越大。但是转速的提高是要足够的稳定性，如果轴承稳定性不好，转子在提高转 速的时候会出现失稳，气膜遭到损坏，使承载力下降。

（2）高温下的启停润滑特性;箔片气体轴承的箔片结构会随着温度的 升高逐渐变软，从而导致刚度降低、承载力下降。在高转速作用下，会出 现在箔片表面气体粘性的不均匀，从而导致表面受热不均匀，最终出现受 热过度的箔片。也就是说，随着温度提高的粘性会导致转子的热不稳定性。

（3）可靠的、 可控的设计方法和设计准则;在箔片轴承技术的发展中，国外偏重于对轴承内部机理的分析。包括轴承稳定性，承载力以及结构特 点的分析，并通过大量的实验进行验证，大大推动了箔片轴承技术的发展。由于国内的研究相对较晚，现在主要是在一个实验探索的阶段，虽然对轴 承内部的物理问题有了一定的理解，但还缺少对轴承综合性能的把握。

3、箔片式气体动压轴承专利技术路线分析

3.1 对箔片式气体动压轴承技术的检索主要依赖于分类号，相关的分类 号包括：

F16C27/00 专用于旋转运动的弹性或或柔性轴承或轴承支撑件

F16C27/02 ·滑动接触轴承

3.2 波箔式箔片气体轴承发展趋势

作为箔片轴承的特殊组成部分，箔片结构在箔片轴承的研究和发展中 受到极大地关注，基于对箔片结构的改进和优化使轴承的整体性能在不断 提高，在过去的四十年中，大致可以将箔片轴承的发展分为四个阶段。

3.2.1 第一代箔片气体轴承

第一代箔片轴承主要是波箔型和悬臂型，箔片结构装配时的预紧力很 小，导致箔片在气膜力的作用下变形较大，承载力较低。对于波箔式轴承，顶层平箔提供轴承内壁面，安装在波箔片上。波箔片沿轴承内壁面安装，为平箔提供弹性支承，其-端固定在轴承壳体上，另一端由伸展。由于沿周 向采用相同参数的波纹单元，支承刚度沿周向存在不匹配的问题，另外边 缘部分气体会出现泄露，其承载力不高。悬臂式是采用悬臂箔片作为转子 的支承结构。两种箔片结构在轴向是没有变化的，支承波箔沿箔片结构对 箔片气体轴承性能影响的分析周向的儿何尺寸具有周期性，不利于形成高 承载力的动压气楔，一般只应用于高速轻载的场合。

3.2.2 第二代箔片气体轴承

根据箔片结构装配的特点，箔片一端固定在轴颈上，一端自由。在同 定端存在紧固力，此处箔片结构所受的静摩擦力较大;在自由端，由于波 箔直接搭接在轴承上，所受静摩擦力较小。从固定端到自由端由丁-所受的 摩擦力不同，必然导致波箔波纹处的刚度分布不均，而转子在轴承内部做 涡动，其运动状态受到动压效应的影响。如果箔片结构刚度沿周向变化太 大，会影响动压效应，最终影响转子的运行稳定性及轴承的承载力。所以 有必要改变箔片结构用来減小轴承刚度沿周向的不均匀性，第二代箔片轴 承就是根据这个原理产生的，承载力系数可以达到 0.5N/m3Tpm。

3.2.3 第三代箔片气体轴承

高效地将空气控制在轴承内是箔片轴承承载性能提高的重要手段。基 于第二代箔片气体轴承对箔片结构刚度的改变，第三代轴承考虑了平箔变 形对于轴承性能的影响。通过将波箔带在轴向错开，改变由于轴向刚度变 化较小而导致的平箔变形较大，有效地防止了高压气体的端部泄露。第三 代箔片轴承的改进保证了轴承在整个承载面上结构刚度的一致性，增加了 轴承的结构阻尼，最大限度地提高了承载力。

3.2.4 第四代箔片气体轴承

第四代箔片气体轴承在箔片的装配技术上加了预紧力，同时在箔片表 面镀上了金属耐磨涂层。第三代轴承虽然能有效提高最小气膜间隙内的压 力，但是由于箔片结构间是搭接的状态，在大气膜处会有大量气体流失，而加了预紧后，箔片结构受到预紧力的作用而出现变形，可以使动压气膜 在全周向都减小，有效地增大了动压效应。但是，由于气膜间隙减小，箔 片和转子间的摩擦会增多，所以提高箔片表面的耐磨性是非常必要的。所 以在第四代箔片轴承的发展中，出现了大量研究箔片表面耐磨涂层的研究成果。

4、结语

由上述专利分析可知，箔片式气体动压轴承的主要类型有波箔式和悬 臂式两种结构，其中，最早出现的是较为简单的悬臂式，之后出现了较为 先进的承载效率更高的波箔式气体轴承，再之后各申请人又对这两种类型 的结构进行了综合性多元化发展与完善，都是为了提高轴承的承载能力，实现该轴承在其应用的系统中稳定、高效的支撑高速转轴。该技术的专利 申请还是以欧美、日本为主，这也是因为航空工业以及涡轮机技术的最为 主要和先进的制造和研发机构和企业都位于欧美与日本，世界上述航空工 业和涡轮机先进技术以及制造技术也都被这些国家所掌控，其中又以美国 的标准信号公司、老牌的 Garrent 公司与日本的 NTN 株式会社为主要申请 人代表，而中国的相关技术虽然起步较晚，但近些年得到了一个较快的发 展，涌现了一批以高校、科研院所和企业为主的技术研发和专利申请单位，中国申请人也应多研究和借鉴重要申请人在该领域的前沿技术，增强我国 该方面技术的竞争实力。