结构刚度和阻尼对箔片轴承承载力的影响

结构刚度和阻尼对箔片轴承承载力的影响1

崔明现，侯予，王林忠，陈纯正

(西安交通大学制冷与低温工程系，西安710049)

摘 要：影响箔片轴承广泛应用的一个关键问题是其承载力不足。结构刚度和阻尼是箔片轴承承载力的主要影响因素。本文从承载力系数出发，分析了箔片轴承在周向、轴向和径向三个空间方向的结构刚度的变化对箔片轴承承载力的影响。箔片轴承的阻尼主要表现为库仑摩擦阻尼；阻尼的增大使轴承结构刚度增大，稳定性提高，承载力增大。本文还以承载力系数为依据，比较了提高箔片轴承承载力的方法。

关键词：箔片轴承，承载力，结构刚度，阻尼

The Effect of Structural Stiffness and Damping on the Load

Capacity of Foil Bearing

Cui Mingxian, Hou Yu, Wang Linzhong, Chen Chunzheng

（Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049）

Abstract

One key technical hurdle for the further application of foil bearing lies in its low load capacity, which is mainly depended on the structural stiffness and damping. Using the concept of load capacity coefficient, the variations of structural stiffness in circumferential, axial and radical directions on the performance of load capacity of foil bearing are analyzed specifically. And the increase of damping, demonstrated mainly in the form of column frictional damping results in increased structural stiffness and load capacity, along with the improved whirl stability. Different means to improve the load capacity are compared through load capacity coefficient. Keywords: Foil Bearing, Load Capacity, Structural Stiffness, Damping

1 简介

箔片轴承是一种自作用式气体膜动压轴承。它依靠弹性支承上的柔性轴承表面与主轴之间相对运动而产生的动压气膜压力来支承转子系统。箔片轴承具有低能耗，高稳定性；轴承的柔性表面对载荷、转子偏心具有很好的自适应性。由于使用环境气体作为工作流体和润滑剂，不会造成对工质气体的污染；可以摆脱传统油轴承在转速和温度方面的限制，且具有很高的可靠性，不像油轴承一样需要定期维护。

由于气体的粘度极低，动压气体轴承的承载力要比油轴承小得多。因此，箔片轴承早期多应用于高速轻载的场合。要把箔片轴承广泛应用于其它高温重载透平机械如燃气透平等则需要解决两个技术难题：（1）如何提高承载力；（2）高温启停润滑性能。目前，通过对箔片轴承支承结构的改进，箔片轴承已经具有足够的承载力而应用于辅助动力装置,低温透平泵和压缩机系统。1998年，MiTi公司开发出了承载力达518kg的箔片轴承（L×D＝75×100mm2, 转速22krpm时，静态载荷427.3kg, 动态载荷90.7kg），这是箔片轴承承载力的一个突破；

1作者简介：崔明现，男，1980年生，西安交通大学制冷与低温工程系硕士研究生。基金项目：国家自然科学基金资助项目(50206015)，高等学校博士学科点专项科研基金资助项目资助(20020698028)

承载力达900kg的箔片轴承正在开发中[1]

。高温固体润滑镀层的研制（如PS304和Korolon 1350）成功地解决了箔片轴承的高温启停问题，并且增强了其刚度和阻尼特性，提高了承载

力[2]。图1显示了箔片轴承承载力和阻尼的发展历程。

图2 不同型式箔片轴承的承载力系数[4][5]

图1 箔片轴承的承载力和阻尼的发展[3]和刚性表面动压气体轴承不同，箔片轴承的刚度和阻尼包括两部分：（1）由动压气膜而产生的刚度和阻尼，（2）箔片及其弹性支承结构的刚度和阻尼。在高速旋转的转子中，后者

的刚度比前者要小，两者结合起来共同控制整个轴承的刚度[4]。本文在已有的箔片轴承型式

的基础上，以承载力系数作为参考依据，详细分析了结构刚度以及阻尼对箔片轴承承载力的影响，讨论了提高箔片轴承承载力的方法，为设计高承载力的箔片轴承提供参考。 2箔片轴承承载力和承载力系数

箔片轴承的承载力分为静态承载力和动态承载力。静态承载力（或称静态载荷）指转子质量（水平转子）或轴承预载（竖直转子）。对于轴承转子系统来说，静态承载力是定值。若用静态承载力系数来表示，则有：

00W L D β=× （N/mm 2） （1） 试验结果表明，较大的静态承载力系数可以同时增大轴承的刚度和阻尼，但也会增大启动力矩和启停过程中的磨损。轴承设计时，一般取00.7~3.5β=。以下的承载力系数均指动态承载力系数。

箔片轴承的动态承载力由转子旋转时产生的动压气膜产生，其值通过气膜压力沿轴承支承面的积分得到。文献[5]在总结已有箔片轴承试验数据的基础上，假设气膜不可压缩，粘性和厚度都不变，得出了估算径向箔片轴承承载力W 的经验法则：

（2） 42.714310()() W L D β−=××××D Ω式中，W 为最大支承载荷（N）；β为承载力系数(N/(mm 3·krpm))；L 为轴承轴向长度

（mm）；为主轴直径（mm）；Ω为主轴转速（krpm）。与文献中的经验法则相比，式（2）

中多了一常数项2.7143×10D -4，这是为了使承载力系数数值与其它文献一致，进行单位换算

后而加入的。

承载力系数β表示轴承单位面积在单位轴径和单位krpm 转速时所能支承的最大载荷。图2给出了具有不同承载力系数的箔片轴承的试验数据，可以看出试验结果和式（2）近似吻合。理论和试验数据的差异可能是因为不同试验的轴承间隙和温度等不同。

由式（2）可知，径向箔片轴承承载力与轴承支承面积和转速成正比，增大轴承支承面