第1章 绪 论
气体悬浮技术因具有高速、高效、高功率密度、耐高温、长寿命的技术特点，已成为引领高端装备技术革新的关键。本章通过生活中几个常见的例子来引入气体悬浮的基本原理和技术难题，着重介绍箔片气体动压轴承的结构特征、工作原理及技术特点，阐述气浮轴承技术对高速能源动力装备发展的引领性作用。
1.1 生活中的气体悬浮
作为物质存在于世界的基本形态之一，气体在我们的生活中无处不在。人类利用气体来悬浮物体的历史源远流长，其基本类型大体上可分为静压悬浮、动压悬浮和挤压悬浮。下面通过生活中常见的三个实例来介绍气体悬浮的基本原理。
实例Ⅰ 商场或游乐场有一种十分受欢迎的双人对战竞赛游戏——“气垫球”，游戏的关键在于球块可以非常顺畅地在桌面上行走、反弹。球块能够无摩擦地在桌面上滑行，是因为在游戏装置中安装了一个气泵，当游戏开始时，气阀就会开启并向桌面提供高压气体，使球块和桌面之间形成一层非常薄的气膜。这种利用外部供给高压气体来悬浮物体的方式，称为气体静压悬浮，桌面上均匀分布的小孔为节流器。
实例Ⅱ 假设在光滑的桌面上以一定的速度推出一张纸，纸张将会以近似无摩擦的状态滑行。这是因为纸张和桌面之间存在相对运动，黏性作用将空气带入纸张和桌面之间的狭小空间，从而形成一层非常薄的空气膜，减少甚至消除了纸张和桌面之间的摩擦，支承纸张向前滑行。而且，可以发现纸张的初始速度越快，越容易形成气膜，悬浮高度越高，滑行距离越远。这种利用两个表面相对运动和气体黏性来形成高压气膜的方式，称为气体动压悬浮。
实例Ⅲ 在平放的音箱表面放置一张纸，纸张会随着声音的发出而振动甚至悬浮起来。如果调大音箱的音频或音量，纸张也将悬浮得更高。这是因为音箱通过其扬声器振膜的高频振动来发声，这种高频振动挤压了扬声器振膜与纸张之间的空气，从而形成高压气膜，将纸张悬浮起来。调大音箱的音频和音量，使得单位时间内挤压空气的次数更多和挤压的行程更大，可提高挤压周期内的平均悬浮力，使得纸张悬浮得更高。这种利用高频挤压空气来悬浮物体的方式，称为气体挤压悬浮。
1.2 气体悬浮的数学解释
气体没有形状，但有体积，是一种可任意压缩和膨胀的流体。雷诺方程[1]是基于流体动力学原理提出的，可用于描述狭小间隙中流体黏性效应的运动方程。雷诺方程可以由流体的运动方程和连续性方程联立推导得到，描述的是在单位微元体内流体在受力平衡、流量平衡和流体连续性约束条件下所表现出来的流动情况[2]。雷诺方程表达式为
(1.1)
式中，为气体的压力；为气体密度；为黏度系数；和为运动面的相对运动速度；H为气膜厚度。
雷诺方程是典型的二阶偏微分方程，以上三种气体悬浮的基本原理解释如下。
1. 静压悬浮
如图1.1所示，当外部供给高压气体时，由于气体的黏性作用，在轴承狭小间隙内会形成具有一定压力分布的气膜，而且气体压力与气膜形状密切相关。
图1.1 气体静压悬浮基本原理
2. 动压悬浮
如图1.2所示，轴承下表面相对于上表面存在相对运动，气体由于黏性作用被带入逐渐变小的楔形空间，被压缩并产生高于环境的气膜压力。
图1.2 气体动压悬浮基本原理
3. 挤压悬浮
雷诺方程中描述的是轴承面法向运动时气体压力的产生情况，即挤压效应。如图1.3所示，当两个轴承面在法向上相对振动时，楔形空间内会形成时变的气体压力，时高时低，但单位周期范围内的平均气压要高于外部环境气压，形成悬浮力。
图1.3 气体挤压悬浮基本原理
气体悬浮技术一直广受研究，应用领域也从*初的制造装备拓展到动力装备、航空航天装备等[3]。然而，由于气体所具有的特殊物理特性，气体悬浮技术在实际使用中会遇到各种各样的困难，主要表现在以下方面：
(1)性能求解较为复杂。由于气体是可压缩流体，气体的密度和黏度都会随着压力、温度等参数的变化而发生变化，所以无法通过解析求解经典雷诺方程的方法直接获得表征气体悬浮特性的物理量，尤其是在高压、高速、高温或低温等特殊应用工况中，气体悬浮特性的求解变得极为复杂。
(2)承载力小，阻尼特性差。由于气体的黏度仅为润滑油黏度的1/5000，在相同工况条件下，气体会表现出极小的承载力，需要通过提高供气压力或转速等方式来增大气体的承载力。气体的另外一个重要特征是阻尼特性差，而且频率越高，其所表现出来的阻尼特性越差。因此，在实际使用时，如何提高气体悬浮部件的阻尼特性往往成为研发和设计工作的重点。
(3)固有的自激振动。由于采用可压缩流体作为工作介质，在一些特殊工况下，气体悬浮部件会表现出流体所固有的自激振动现象。静压悬浮技术主要表现为高供气压力和小间隙条件下的“气锤自激”现象，而动压悬浮技术主要是高转速时所表现出来的气膜涡动和气膜振荡。一旦上述两种现象出现，气体悬浮部件的振动将无法控制，直至轴承失效。因此，如何防止自激振动的出现是轴承设计工作的重点和难点。
(4)精度要求高，使用难度大。由于气体的黏度较低，为了得到需要的承载能力和刚度，气体悬浮部件的间隙往往设计得相对较小，表面粗糙度的要求也较高，因此相对其他部件而言，气体悬浮部件加工精度的要求更高，且使用难度更大、成本更高。
(5)难以实现零部件标准化。由于气体的物理特性对工况极为敏感，而且采用气体悬浮技术的装备工况复杂，性能要求更高，因此气体悬浮部件往往需要工程技术人员根据装备的具体需求开展专门性的设计工作。
1.3 箔片气体动压轴承技术
箔片气体动压轴承是一种利用环境气体作为工作介质的自适应柔性动压轴承。当其工作时，转子表面与轴承内表面间会发生高速相对运动，环境中的气体由于黏性作用被带入轴承楔形间隙，利用动压效应形成高压气膜从而支承转子[4]。箔片气体动压轴承可以简单地看成自适应弹性结构和一层动压气体膜组成的串联支承结构。弹性支承结构可以为轴承提供自适应的弹性变形，在一定程度上有利于转子和轴承之间形成楔形动压气膜，并且弹性变形和箔片间的摩擦为轴承提供了刚度和阻尼。箔片气体动压轴承的弹性支承结构种类较多，其中综合性能*好的是弹性支承结构为波箔型箔片气体动压径向轴承。其结构如图1.4所示，是一种在轴和轴承套之间加装类似于“波浪”的弹性箔片，利用空气及箔片的相互作用来提供支承力的动压轴承[5]。这种轴承不但具有较大的承载力和良好的稳定性，而且简单实用。下面以该结构为例，简要说明箔片气体动压轴承的工作原理及工作过程，如图1.5所示。
图1.4 箔片气体动压径向轴承结构示意图[5]
图1.5 箔片气体动压轴承的工作原理及工作过程
1)轴承启动
初始状态下波箔存在一定的预紧力，作为轴承承载面的顶箔与转子表面完全接触。当转子启动后，气体由于黏性作用被转子带入顶箔和转子之间的狭小间隙，气体被压缩并形成具有一定压力的气膜，此时，弹性结构(包括顶箔和波箔)和转子会被高压气膜逐渐分开。
2)完全起浮
当转子达到一定转速时，气膜压力足以支承转子重量，转子完全脱离轴承面，顶箔和转子之间会形成一层稳定的连续高压气膜。
3)轴承加载
如果转子受到外界载荷或冲击，则转子偏离中心位置，此时，气膜厚度发生变化，气体压力分布随之改变，作为支承结构的波箔也相应地发生变形，*终形成新的稳定状态。在外部冲击作用下，波箔和顶箔及轴承套之间会发生摩擦并消耗能量。
4)轴承停止
当转速逐渐降低时，转子带入楔形空间的气体减少，气压下降，弹性结构回弹，直至抱紧转子，使其*终停止。
由于箔片气体动压轴承特殊的结构与工作原理，其表现出如下优点：
(1)承载力大。由于弹性支承结构的自适应变形，箔片气体动压轴承容易形成大区域连续的高压气膜，从而获得较大的承载力。
(2)阻尼特性好，稳定性好。轴承动态运行过程中，波箔、顶箔及轴承套之间的相互摩擦将会消耗能量，提供了一定的摩擦阻尼，从而提高轴承的稳定性。
(3)结构紧凑，免维护。箔片气体动压轴承利用气体动压效应来实现悬浮，不需要任何额外的辅助装置，*大程度上简化了系统的复杂程度，使设备更加紧凑。由于不需要润滑系统，箔片气体动压轴承是一种终生免维护的轴承。
(4)加工精度要求低。箔片支承结构的自适应变形能够在一定程度上吸收加工和装配带来的尺寸偏差，降低对部件精度的要求。
(5)高温或低温工况条件下具有良好的工作性能。气体的物理特性较为稳定，因此箔片气体动压轴承表现出良好的高低温工作性能。
(6)摩擦损耗低。气体悬浮是一种完全非接触式的润滑方式，转子基本上处于无摩擦的状态，加之气体本身的黏度低，摩擦损耗小，因此箔片气体动压轴承可大幅提高系统的效率。
虽然箔片气体动压轴承具有很多显著的优点，但是在设计方法、承载力、稳定性以及启停寿命等方面存在关键性难题，阻碍了箔片气体动压轴承技术的进一步发展和产业应用。箔片气体动压轴承技术是目前国际上轴承转子动力学领域的前沿课题，目前还存在以下难题：
(1)缺乏精准的轴承理论分析模型与实用的轴承设计规范。一方面，气体的强可压缩性和弹性箔片结构自适应变形，以及两者之间的复杂相互作用，使得轴承表现出复杂的非线性动力学行为。另一方面，轴承的强非线性特性和实际工况下多因素的强耦合性导致箔片气体动压轴承-转子系统的理论分析变得非常困难。
展开
