● 摘要
小型化、高速化是近年来旋转机械的发展方向之一，随着转子转速的不断提高，对支承转子的轴承提出了越来越高的要求。波箔径向空气轴承是一种新型弹性支承表面气体动压轴承，与传统刚性表面动压空气轴承相比具有承载能力高、工作稳定性高等优点。但是由于波箔径向空气轴承的润滑介质为空气，其粘度远远小于润滑油，所以相比于油润滑动压轴承此类轴承有着承载能力低等先天不足，限制了波箔径向空气轴承的应用范围。因此提高波箔径向空气轴承的承载能力、扩大轴承的应用范围已成为当今研究的热点。本文针对波箔径向空气轴承的各项性能进行了理论分析以及试验研究，主要研究内容及成果可以概括为以下四个方面。
首先，设计制作了6种结构参数互不相同的波箔径向空气轴承，开发了波箔径向空气轴承试验台。制作的6种波箔径向空气轴承的弹性支承结构由三种不同的波形箔片和两种不同厚度的平箔片相互组合配置而成。将这一系列试验轴承作为研究对象进行理论及试验研究，得到了轴承各参数对轴承性能的影响。本文开发的波箔径向空气轴承试验台采用转轴固定旋转轴承在转轴上悬浮工作的原理，采用此原理的试验台实现了在不影响轴承正常工作的情况下对轴承施加载荷、对轴承阻力矩以及位移的测量。
其次，在波箔径向空气轴承试验台上对制作的6种波箔径向空气试验轴承进行了一系列性能试验。试验中采集了所有轴承各不同工况下的转速、两个相互垂直方向的位移、轴承阻力矩、轴承外壳温度等数据。在试验数据的基础上，对轴承起飞转速、承载能力、阻力矩、轴心轨迹、气膜厚度、动态刚度等特性进行了分析研究，结果表明：轴承的起飞转速随波形箔片凸起宽度的增加而上升，并且上升幅度逐渐增大， 然而随着平箔片厚度的增加，轴承的起飞转速下降，并且下降幅度在波形箔片凸起宽度较大的轴承中较大；轴承的承载能力随着波形箔片凸起宽度的增加而减小，并且减小幅度逐渐增大，而随着平箔厚度的增加，轴承的承载能力增加；轴承在启动停车过程中的最大阻力矩与轴承载荷成正比，且停车接触转速比起飞转速大15%左右，而轴承在稳态工作时的阻力矩受转速、载荷、箔片结构参数的影响非常小，轴承的稳态阻力矩都保持在 左右。轴承轴心轨迹涡动幅度随着转速的增加会迅速减小到一个最小值，随着转速的进一步增加轴心轨迹的变化就非常小。轴承气膜厚度随着转速的上升而增加，并且增加幅度逐渐增大，气膜厚度与轴承载荷间成线性的反比关系。轴承的动态刚度随着转速和载荷的上升而增加，而轴承箔片结构参数对轴承垂直方向主刚度的影响较小。
再次，建立了波箔径向空气轴承稳态和动态模型。对于波箔径向空气轴承模型中的流体润滑部分采用流体动力润滑雷诺方程作为控制方程，轴承弹性支承结构部分采用三维有限元法建立有限元模型，并运用轴承气膜厚度方程将流体部分模型与支承结构模型耦合计算得到轴承的动压力分布和扰动压力分布，并进一步计算得出轴承的各项性能参数。本文所建立的波箔径向空气轴承理论模型全面考虑了平箔片的凹陷、波形箔片各凸起间的相互影响、各条波形箔片间的相互影响、箔片之间的摩擦以及箔片与轴承外壳之间的摩擦，模型的精度得到了提高。本文结合有限差分法和Newton-Raphson方法完成了波箔径向空气轴承模型的耦合迭代求解。
最后，通过将波箔径向空气轴承承载能力、阻力矩、动态刚度计算结果与试验结果进行对比，验证了模型的有效性，并在此基础上对轴承动态阻尼、气膜动压力和弹性支承结构变形等试验没有得到的参数进行了分析，结果表明：轴承的主阻尼和交叉阻尼随着转速、载荷、箔片结构参数的变化呈现出了不同的变化规律；随着转速的上升，轴承中的最大气体动压力随之上升，而上升幅度逐渐减小；随着波形箔片凸起宽度的增大，平箔片厚度的减小，轴承中的最大气体动压力随之下降，并且下降幅度随着波形箔片突起宽度的增大而增大；弹性支承结构的变形受结构参数和摩擦系数的影响较大，而材料的弹性模量、泊松比等材料属性带来的影响很小。