波箔径向空气轴承起飞转速试验研究

Experimental Study on Lift-oIf Speed of Bump Foil Journal BearingsLiu Jiang ，Du Fa-rong(a.School of Transportation Science and Engineefing；b.School of Energy and Power Engineering，Beijing Universityof Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)Abstract：Based on the requirement of the ultra high speed rotor system of micro turbo-jet engine，the test吨 is builtfor bump foil journal bearings.A series of bump foil journal bearings with different structural parameters are experimen-taly investigated，and a measuring method is put forward for lift -of speed.The influences of bearing load，bumpwidth in the bump foil and the thickness of top foil on lift-of speed are summarized，and the relationship is identifedbetween the lift-of speed and touch-down speed。

Key words：bump foil journal bearing；lift-of speed；foil structural parameter小型化、高速化是近年旋转机械的发展趋势之-l J，随着转速不断提高，对支承转子的轴承提出了越来越高的要求。波箔空气轴承是-种新型弹性支承动压气体轴承，可很好地满足超高速旋转机械的要求。波箔空气轴承出现于20世纪 60年代末 J，随着研究工作的深入，波箔径向空气轴承的性能不断提高，应用范围不断扩大，在小型涡喷发动机、电脑硬盘、燃气轮发电机和飞机空气循环机中都能发现其身影 。

波箔径向空气轴承起飞转速是-项重要性能参数。文献[7]对多片式波箔径向空气轴承进行试验研究，提出了起飞转速的测定方法，但是试验台转速较低，不能精确测量起飞转速。文献[8]对单片式波箔径向空气轴承阻力矩及起飞转速进行收稿 日期 ：2012-12-19；修回日期：2013-03～09作者简介：刘江(1982-)，男，江苏镇江人，博士生，研究方向为箔片空气轴承。E-mail：jiangliu82###163.corn。

试验研究，给出了起飞转速数据 ，但是测量范围较窄，不能全面反映起飞转速特性。并且上述研究都没有给出轴承各参数与起飞转速之间的关系。

下文在前人研究的基础上，对-系列单片式波箔径向空气轴承进行试验研究，提出了轴承进入完全悬浮状态时起飞转速的测定方法，并且明确了轴承各参数对起飞转速的影响。

1 波箔径向空气轴承波箔径向空气轴承结构如图 1所示，其主要由轴承外壳、波箔和平箔组成。波箔和平箔组成轴承的弹性支承结构，波箔与平箔在同-端固定在轴承外壳上，另-端处于自由状态。

为了试验分析波箔径向空气轴承各结构参数对起飞转速的影响，设计并制造了6套外形尺寸完全相同(直径 32 mm，宽度48 nqm)，配置不同弹性支承结构的试验轴承。所有试验轴承的弹性支承结构由3种不同参数的波箔和2种厚度分别为· 28· 《轴承)2013.No.8- 图 1 波箔径向 空气轴承结构0.1和0.12 mm的平箔组合而成。所有箔片均使用 Inconel X750高温合金钢制作而成。为了使波箔和平箔在高温下也能具有足够的弹性，必须对箔片进行热处理。采用的方法是将箔片在 650℃恒温炉中加热4 h后在空气中冷却至室温，此方法处理的箔片可在 370℃内保持弹性。为了准确测量波箔径向空气轴承起飞转速，所有试验轴承与转轴之间的名义半径间隙控制在45 Ixm以内。

波箔结构参数的定义如图2所示。3种波箔的具体结构参数见表 1。最终制作完成的 6套试验轴承的箔片配置情况见表2。

l图2 波箔结构参数示意图表 1 波箔参数表2 试验轴承箔片配置试验轴承编号 波箔编号 平箔厚度/mm1234#560.10.10.1O.120.120.122 波箔径向空气轴承试验 台2.1 试验台总体设计波箔径向空气轴承试验台转轴固定，轴承在转轴上悬浮工作，如图 3所示。整个试验装置布置在-个800 mlTl×800/lm的铸铁平台上，如图4所示。试验台可在不影响轴承正常工作的情况下对轴承施加载荷并测量轴承阻力矩及位移。试验台由-台 120MD60Y6电主轴驱动，最高转速为60 000 r/rain。试验台的转轴使用螺纹固定在电主轴的连接端。

图3 波箔径 向空气轴承试验 台原理图图 4 波箔径 向空气轴承试验 台关于波箔径向空气轴承试验台的详细内容见文献[9]。

2.2 试验台测量系统波箔径向空气轴承试验台测量的与本研究相关的物理量包括转轴转速及轴承阻力矩。

试验台采用量程为 0.5 mm的电涡流位移传感器测量转轴转速。传感器安装在电主轴的输出轴处，如图5所示，由于输出轴上有 2个用于扳手鹏的平台，随着转轴的旋转，传感器与转轴之间的距离发生周期性变化，数据采集系统测得周期信号的频率后便可精确测量转轴转速。

， ～转速信号， 、. 电压 ， 触发 、--图5 转速传感器的安装及转速信号试验台对轴承阻力矩的测量是通过-个固定在轴承座上的测量杆，将轴承阻力矩的测量转化 皿刘江，等：波箔径向空气轴承起飞转速试验研究 ·29·成拉力的测量得以实现 的，如 图 6所示。通过BK-2测力传感器对测量钢索中拉力的变化进行测量～拉力数据与测量力臂长度相乘便可得到轴承阻力矩。

图 6 阻力矩测量机构3 起飞转速 的测定方法通过分析波箔径向空气轴承在启动过程中的阻力矩确定其起飞转速。为了准确测定起飞转速，特在试验过程中延长了加速时间。1 轴承启动及停车过程转速与阻力曲线如图7所示。转轴开始旋转的瞬间阻力达到最大值，随着转速的上升，轴承阻力逐渐下降。当转轴达到某-转速后，轴承阻力达到稳定值，不随转速而变化。文中定义轴承阻力达到稳定值那-时刻的转速为起飞转速(使用同样方法可同时测定停车接触转速)。此方法测定的起飞转速为轴承形成稳定气膜，完全进入稳定工作状态的转速，对波箔径向空气轴承的实际应用更具指导意义。

， l至萄时间t/s图7 1 轴承启动及停车过程转速与阻力4 试验结果分析4.1 轴承载荷对起飞转速的影响以5 轴承为例，轴承载荷与起飞转速成线性关系，如图8所示。轴承载荷每增加 10 N，起飞转速相应上升 10%左右。轴承载荷与停车接触转速之间同样符合线性规律，并且由于轴承停车时的温度高于启动时的温度，轴承内的间隙由于转轴的热膨胀而减小 ，所以停车接触转速比同载荷的起飞转速平均高出2 000 r/min左右。

轴承载荷W/N图8 5 轴承各载荷起飞转速及停车接触转速4.2 波箔凸起宽度对起飞转速的影响分别配置 1 -3 波箔的 1 ～6 轴承各载荷起飞转速如图 9所示。随着波箔凸起宽度的增大，轴承弹性支承结构的刚度逐渐降低，造成起飞转速逐渐升高。并且起飞转速的增幅随波箔凸起宽度的增大而增大，配置1 波箔的1 和4 轴承比配置2 波箔的2 和5 轴承各载荷起飞转速提高了5 000r/rain左右，而配置3 波箔的3 和6 轴承比2 和5轴承各载荷起飞转速提高了 10 000 r/min左右。

0 鲁二垒×黎图9 1 -6 轴承各载荷起飞转速4.3 平箔厚度对起飞转速的影响采用厚度为0.1 mm平箔的 1 ～3 轴承各载荷起飞转速高于采用厚度为0.12 mm平箔的4 ～6 轴承各载荷起飞转速，如图9所示。此结果与波箔凸起宽度对起飞转速的影响分析相符合，即具有更高支承刚度的轴承在相同载荷条件下具有更低的起飞转速。由图9还可知，1 和4 轴承的起飞转速比较接近，因此对于波箔凸起宽度较大的轴承，平箔厚度对起飞转速的影响更大。

4.4 试验误差分析由1 ～6 轴承的试验数据可知，1 ，2 ，4 和5(下转第51页)高元安，等：磁测法在 GCrl5钢制轴承零件残余奥氏体测试中的应用 ·51·4 结束语根据电桥的电路分析和输出电流与 GCrl5高碳铬轴承钢制轴承零件淬、回火后马氏体相含量与奥氏体相含量的相互关系，建立了两相体相对含量和桥路输出电流的数学模型，.为电磁法测定残余奥氏体含量建立了理论基矗并通过试验分析确定了以下结论：(1)从 3种不同类型的试样测试结果看，当残余奥氏体含量小于 l0%时(常规的测试范围)，输出电流值与残余奥氏体含量值存在着很好的线性关系，当残余奥氏体含量超过 10%时，曲线斜率逐渐变小，与理论分析的结果完全-致。

(2)通过标定试验，确立了轴承的残余奥氏体含量值与电流值的理论曲线。其与 x射线测试结果吻合较好，误差-般小于 1%，可用于实际测量。标定的灵敏系数值随励磁电流的大型仪器参数变化略有不同，测试时仪器只要选择好合适的励磁参数，可有效、快速、准确地确定残余奥氏体的含量，且稳定性好，灵敏度高，重复误差在0.5%之内，完全可以使用于残余奥氏体含量的测量。

(3)在现厨行了大量的实际测量，与x射线法比较，磁测法有采样体积大，测试速度快，重复性好，测试精度高的特点，完全可以用来在线测量轴承零件中的残余奥氏体含量。