２０１０年１１月 第３５卷第１１期
润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＮＯＶ．２０１０
Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．１ｌ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．１ １．０２７ 转子一气体轴承一弹性支承系统研究综述
赵广 于贺春 马文琦 崔颖 （１．大连理工大学能源与动力学院 辽宁大连１ １６０２４；２．大连海事大学交通与物流工程 学院辽宁大连１ １６０２６；３．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：随着旋转机械向高转速、高参数方向发展，气体轴承支承旋转机械的稳定性问题越来越突出。为提高系统 的稳定性，人们在单一的、简单结构的静、动压气体轴承的基础上，开发了具有弹性支承、较大阻尼的复杂结构气体轴 承。箔片、橡胶圈、金属丝网阻尼器等弹性支撑单元的出现，使得系统在运行过程中出现复杂的静、动态不对中状态， 系统的动力学特性也呈现出非线性现象。因此，气体轴承支承旋转机械的稳定性问题不再局限于气体轴承本身，而是由 气膜力、弹性支撑力、转子动态激励等相互耦合作用的结果。从气体轴承支撑结构的角度，对气体轴承进行分类，并总 结各类轴承的优缺点；对气体轴承、转子一气体轴承系统、转子一气体轴承一弹性支承系统研究现状进行总结；并介绍 转子一气体轴承一弹性支承系统中不对中问题；对国内外研究现状进行分析和发展预测。 关键词：气体轴承；转子动力学；弹性支撑；稳定性；不对中 中图分类号：ＴＨ１３３．３５文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１０）１１—１１５—８
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｏｔｏｒ・・Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇ・－Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｚｈａｏ Ｇｕａｎｇ Ｙｕ Ｈｅｃｈｕｎ Ｍａ Ｗｅｎｑｉ Ｃｕｉ Ｙｉｎｇ。 （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １６０２４； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １ １６０２６； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ １５０００１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｔｏ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｗｉｔｈ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ，ｓｏｍｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏ￣ａｎｄ ｓｏｍｅ ｄａｍｐｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｕｎｉｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｆｏｉｌ，ｒｕｂｂｅｒ ｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ ｄａｍｐｅｒ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｅａｒｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ａｂｕｎｄａｎｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａ。 ｃｈｉｎｅｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｔｓｅｌｆ，ｂｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｅｌａｓｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ，ｒｏｔｏｒ ｄｙ‘ ｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｗａｓ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏ￣ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｅｈ ｓｔａｔｕｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ，ｒｏｔｏｒ—ｇａｓ ｂｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｒｏｔｏｒ—ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ—ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗａｓ ｉｎｔｒｏ‘ ｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｏｒｅｃａｓｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ；ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ
气体轴承具有精度高、摩擦功耗极小、寿命长、 清洁等优点，在高速旋转机械上具有广阔的应用前 景。然而气体轴承固有的缺陷如低承载力、阻尼不 足、缺乏不对中补偿能力等…使得气体轴承一转子系 统的动力学特性复杂、稳定性较差。解决气体轴承与 转子的耦合稳定性问题是研究和开发高稳定性、高可 ￥基金项目：辽宁省教育厅科研计划项目（２０１００３３）． 收稿日期：２０１０—０６—０７ 作者简介：赵广（１９８１一），男，博士，讲师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｇｕａｎｇ＠ ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 靠性气体轴承的核心 。 为了克服气体轴承本身的稳定性问题，人们提出 箔片气体轴承、支撑于弹性支点上的可倾瓦气体轴 承、橡胶圈加稳气体轴承和金属丝网阻尼器气体轴承 等新型气体轴承结构。这类带有弹性支撑的气体轴承 由于承载力大、稳定性较高、不对中补偿能力强，因 而成为气体轴承发展的主要方向之一 。 １ 气体轴承一弹性支撑结构型式及其特征 纵观气体轴承的结构发展历程，可以划分为单一 气体轴承和带弹性支撑的气体轴承两大类。 １ｌ６ 润滑与密封 第３５卷 最初的气体轴承采用固定几何形状，被称为自作 用轴承或动压气体轴承 ，如图１（ａ）所示；该类 轴承的动压效果不佳且承载能力较低。为了提高轴承 的承载力，人们提出了如图１（ｂ）所示的外部加压 小孔供气轴承 ，该轴承稳定性不佳，承载能力仍 有待提高，且不对中适应性较差，诸多严重缺陷导致 苴 超高速运行的基础上且面临启停短暂碰摩等问题。 １．２可倾瓦气体轴承一弹性支点支撑 借鉴传统油润滑可倾瓦轴承的优点，人们开发了 如图３所示的带柔性支点的可倾瓦气体轴承，它具有 固有的高稳定性和高承载力，主要缺陷是阻尼较 小 。
（ａ） （ｂ） 图１单一气体轴承 Ｆｉｇ １ Ｓｉｎｇｌｅ ｇａｓ ｂｅａｔｉｎｇ
１．１ 气体轴承一箔片弹性支撑 波箔型动压气体轴承是一种以周围空气为润滑介 质、以柔性表面作支承的自作用式动压气体箔片轴 承。图２示出了采用弹性箔片支撑的气体轴承。
图２气体轴承一箔片弹性支撑 Ｆｉｇ ２ Ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ—ｆｏｉｌ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ
与其他气体轴承相比，有许多显著的优点 ： （１）运行寿命长、可靠性高、承载能力大，可 获得高转速和耐高温能力； （２）具有良好的抗冲击能力，且随着转轴的转 速逐渐升高，轴承弹性箔片结构产生变形，从而自动 形成相应的气膜厚度，因此具备较好的不对中补偿能 力，体现出很强的自适应性； （３）结构中的平箔片与波箔片、波箔片与轴承 壳体内壁面之间的库仑摩擦作用，使得转轴在高速下 也能保持较好的稳定性 Ｊ。 但由于建立精确的理论分析模型难度大，且涉及 多学科交叉知识而导致理论分析总是滞后于试验的被 动局面。另外，箔片气体轴承的高承载力必须建立在
补 点
图３可倾瓦气体轴承一弹性支点支撑 Ｆｉｇ ３ Ｔｉｌｔｉｎｇ ｐａｄ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ—ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｉｖｏｔ ｓｕｐｐｏｒｔ
１．３ 气体轴承一橡胶圈弹性支撑 为了提高气体轴承一转子系统的稳定性，防止轴 承在外部突加载荷或自激涡动产生破坏性失稳，需要 向轴承系统引入附加的阻尼，即如图４所示的采用橡 胶圈支撑的外部供压气体轴承… 。橡胶圈不仅提供 弹性和阻尼，还可以对轴承周围的气腔进行密封。 Ｌｕｎｄ 于１９６５年首次发现轴承采用弹性支撑可以提 高转子的稳定速度。Ｍｏｎｔｇｏｍｅｒｙ和Ｓｔｅｒｒｙ也发现了橡 胶圈加稳能遏制高速旋转转子的失稳问题。Ｋｅｒｒ” 随 后在美国国家工程实验室将该方法成功地应用到空气 动压轴承。１９６８年，Ｐｏｗｅｌｌ等 对弹性橡胶圈支撑 的气体轴承进行了研究，认为该轴承对于抑制转子涡 动是一种简单有效的方法。１９７９年，Ｋａｚｉｍｉｅｒｓｋｉ 等¨ 的理论和试验研究结果表明，弹性橡胶圈支撑 的静压气体轴承能够提高转子的稳定速度。
图４气体轴承一橡胶圈弹性支撑 Ｆｉｇ ４ Ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ・－ｒｕｂｂｅｒ ｒｉｎｇ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｐｐｏｒｔ
在我国低温机械中，这种技术已成功地应用于中 压气体轴承透平膨胀机的转子一轴承系统的稳定性的 改善上 。由于橡胶圈的弹性作用，减少了轴承外 圆与壳体的机加工精度不足和轴承不对中对转子系统