国内静压气体润滑技术研究进展

1国内静压气体润滑技术研究进展冯慧成1,2，侯予1,2，陈汝刚2，赵红利2（1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安，710049）（2西安交通大学能源与动力工程学院，西安，710049）摘要：简述了静压气体润滑轴承的发展，着重介绍了国内静压气体球轴承，小孔节流、表面节流与多孔质节流静压气体轴承以及静压气体润滑数值模拟与实验研究的进展，展望了未来国内静压气体轴承的发展趋势。本文详细介绍了通过“比例分割算法”、遗传算法、相似准则等研究各型球轴承所得到的结构参数取值范围与优化设计方法等方面的研究成果和小孔节流轴承新的迭代算法与收敛判据及理论与数值计算结论与性能分析的实验数据。并列举了结构参数对表面节流轴承性能影响的研究成果与两种新型表面节流轴承和材料参数与结构形式对多孔质轴承性能的影响。本文还针对静压气体轴承超声速现象和激波存在性问题介绍了轴承超声速场适用的SSTk-ω湍流模式的N-S润滑方程和在此基础上获得的数值计算与理论分析结论及试验验证所取得的研究进展，并探讨了静压气体轴承入口处压力突降的现象。关键词：静压气体润滑；球轴承；小孔节流；表面节流；多孔质。DevelopmentofHydrostaticGasLubricationTechnologyinChinaFENGHui-Cheng1,2,HOUYu1,2,CHENRu-Gang2,ZHAOHong-Li2(1StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049)(2SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi'anJiaotongUniversity,Xi'an710049)Abstract:Inthispaper,theprogressofhydrostaticgasbearingsisoutlined.Thedevelopmentsofdomestichydrostaticgasballbearing,hydrostaticgasbearingwithorificerestrictor,surfacerestrictionhydrostaticgasbearing,poroushydrostaticgasbearing,andthenumericalsimulationandexperimentalresearchofhydrostaticgaslubricationarehighlighted;andthedevelopmenttrendofdomestichydrostaticgasbearingispredicted.Theresearchachievementsofvarioustypesofballbearings,suchastherangeofstructuralparameters,optimumdesignmethod,etc.aredetailed,whichareobtainedthroughproportionalsegmentationalgorithm,geneticalgorithm,similarguidelines,etc.Andthenewiterativealgorithmandconvergencecriterion,theoreticalandnumericalcalculationconclusions,andexperimentaldataofperformanceanalysisofbearingswithorificerestrictorarerecounted.Twonew-typesurfacerestrictionbearingsandtheresearchresultsoftheinfluenceofstructuralparametersontheperformanceofsurfacerestrictionbearing,andtheinfluenceofmaterialparametersandstructuralformsontheperformanceofporousbearingarelistedindetail.Todiscusssupersonicphenomenaandexistenceofshockwaveintheflowfiledofhydrostaticgasbearing,aNavier-StokesequationwithSSTk-ωturbulencemodel,whichappliedtosupersonicvelocityfield,isintroducedinthispaper.Theresearchattainmentsofnumericalcalculationandtheoreticalanalysisbasedonthisequationandexperimentalverificationsareelaborated.Thepressure-depressionattheentranceofhydrostaticgasbearingisalsoexplored.Keywords:Hydrostaticgaslubrication;Ballbearing;Orifice;Surfacerestriction;Porousmaterial.基金项目：长江学者和创新团队发展计划（IRT0746）、国家自然科学基金（50976082）通讯作者：侯予（1973-），男，博士、教授/博导，主要研究方向为气体润滑技术、高速透平机械。联系E-mail:[e-mail]2一、引言气体膜润滑于1854年由法国人GustavAdolphHirm首次发现，并于1897年为美国人AlbertKingsbury所证实，气体轴承即是采用气体作为工作介质的流体膜润滑轴承。但由于当时技术水平及其它条件的制约，这一轴承形式并未得到推广应用。直到二战末才在美国Manhattan计划中被Dr.GilbertBoeker再次提出[1]。到上世纪60年代，在实际应用需求的推动下，人们对气体轴承静态特性才有了较深入的研究，并初步形成了气体轴承的静态设计方法。至70年代，静态理论基本完善，动态分析的文章日益增多，气体轴承的稳定性得到更广泛的关注。进入80年代，气体轴承的研究则向实用化倾斜，主要表现在以下几个方面：（1）高速稳定性的机理分析与稳定范围的判定；（2）新型轴承的开发，如表面节流轴承、多孔质轴承等；（3）计算机磁头气体轴承润滑理论及基于玻尔兹曼方程的薄膜润滑理论；（4）惯性项影响、紊流润滑等气体润滑理论中的特殊问题；（5）结构简单、制造容易等工艺方面需求的探索[2]。近年来随着原子能、航空航天、微电子、信息技术等高新科技的日新月异，气体轴承的应用也愈加广泛，至今其具体型式数以百计，应用领域也不断扩大。作为气体轴承的一个重要分支，静压气体轴承因其长寿命、高精度、低功耗、阻尼特性好、速度范围宽和便于加工等显著优点，在精密及超精密工程、微细工程、空间技术、航空航天医疗器械以及核能工程等领域有着重要应用[3]。应用的日益广泛推动着静压气体轴承的不断发展，同时也对其性能提出了更高的要求。而与传统轴承相比，较低的承载力与静刚度严重制约着静压气体轴承的应用与发展。为此，众多学者对其进行了不辍研究，以期实现轴承性能的优化与提高。上世纪60年代初，我国的温诗铸、张言羊等人开始对静压气体轴承开展了最初的理论与实验研究[4]。1970年静压气体轴承在国产的DQR-1型圆度仪上成功应用[4]。1975年刘墩提出我国自行设计静压气体轴承的方法[4]。随后，我国静压气体轴承的研究工作在全国展开，在理论分析、实验研究、设计方法、节流方式与轴承材料等方面取得了一定成果。西安交通大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、上海理工大学（原上海机械学院）、北京航空航天大学、北京机床研究所、洛阳轴承所等高校与科研院所均有产品获得实用。理论方面，以刘墩等编著的《静压气体润滑》、陈纯正等校译的十合晋一著《气体轴承的设计与制造》、周恒等编著的《气体动压轴承原理及计算》等为代表的多部著作相继出版。西安交通大学于1979年、1981年研制成功采用橡皮加稳空气静压气体轴承和双气膜切向供气静压气体轴承的150Nm3O2/h制氧机用中压气体轴承低温透平膨胀机(PLK-8.33×2/20-5),额定工作转速为10.64×104r/min[1]替代了原活塞式膨胀机，开拓了我国静压气体轴承在低温机械领域的应用。我国静压气体轴承的研究虽取得一定成果，但与国外相比仍有一定差距。随着计算机技术、网格化分技术等的发展，相较于以往，静压气体轴承的研究也呈现出不同的特点：如数值模拟的倚重、节流型式的优化、新型轴承的探索以及超声速与激波现象的研究等。下面，本文对国内静压气体轴承领域的若干热点问题及研究状况做简单介绍。二、静压气体球轴承静压气体轴承，也称外供压气体轴承，由外部提供加压气体，通过节流器进入轴承间隙产生具有一定刚度和承载力的稳定润滑气膜，实现润滑支撑。工作期间轴承间隙内始终有压缩气体存在，3支撑件起停过程中无固体接触，因此没有固体磨损。按用途划分，静压气体轴承可分为，径向轴承、止推轴承和球轴承。图1分别为此三种轴承的结构示意图（均为小孔节流式）。图1静压气体轴承结构示意图静压气体球轴承是为了解决地面模拟空间飞行装置的支撑问题而产生的，广泛应用于惯导设备中，如陀螺仪、姿态控制装置等。随着我国航空航天事业的飞速发展，对具有良好润滑支撑性能的静压气体球轴承的需求也日益强烈。2003年，王祖温等采用分布参数和小参数摄动法简化了动态雷诺润滑方程，采有限元法求解，结果表明，小孔节流静压气体球轴承的稳定性主要取决于节流气腔的容积、供气压力和承载质量[5]。2004年，郭良斌等用有限元法分析了新型环面节流多孔闭式球轴承的压力场，计算结果显示，“比例分割算法”对其求解仍然有效，气膜中心区存在流动滞止区，其压力基本相等且高于远离供气孔的区域[6]。同年，陶继忠等采用遗传算法对静压气体球轴承进行了优化计算，并开发了应用软件，实验结果证明该方法合理可行[7]。2005年，郭梁斌等采用工程计算方法研究了静刚度最大准则下，小孔节流静压气体球轴承几何参数的设计过程，给出了球窝外包角、供气孔直径和供气孔数三个主要参数的合理取值范围[8]。2006年，他们建立的静压气体球轴承动态特性测试装置在22-440Hz频段内，气膜厚度小于70μm时，可准确得出气膜位移-动态力频响函数的幅频特性[9]；并通过补充Constantinescu提出的动压气体轴承相似准则，得到了环面节流静压气体球轴承定常及非定常气体润滑膜的相似准则，理论值与数值解一致证明所得准则合理[10]；同年，他们分析了不同压力下单节流孔小孔节流静压气体球轴承的动态刚度、阻尼特性及其自激振动的频率范围，表明承载质量-气膜系统为一强非线性振动系统，其动态参数随扰动频率与工作地点变化，并从能量传输角度解释了“气锤自激振动”的产生机理[11]。张海兵等则提出一种有限划分方法，对闭式多供气孔静压气体球轴承的压力场进行了简化计算，实验证实该方法可行[12]。2008年，郭梁斌等通过静压气体球轴承相似准则将球轴承刚度计算式显含的四个结构参数缩减至三个，采用复合形法编制了优化计算的Matlab程序，得到了较理想的优化结果[13]。穆国岩等通过拓扑理论与力系等效原理探讨了静压气体球轴承的设计方法[14]，同年提出一种简单有效的静压气体球轴承制造工艺[15]。任迪等提出一种基于三维模型的静压气体球轴承承载力的计算方法，并由二维有限元法和实验数据证明该方法合理有效[16]。三、小孔节流静压气体轴承按节流器种类划分，静压气体轴承可分为小孔节流轴承、环面节流轴承、狭缝节流轴承、毛细管节流轴承、表面节流轴承、多孔质节流轴承和可变节流轴承等。其中，小孔节流轴承又分为简单4孔节