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说说高端滑动轴承——从气体润滑到特种工质润滑(滑动轴承与滚动轴承相比较有什么优点)

发布时间:2022-10-27 11:37:21 作者:行业大咖秀 点击:513

滑动轴承的概念,可以追溯到春秋战国时期,历史资料记载,孔子在周游列国的路上让弟子们在所乘马车的轮轴上涂油以减小行进阻力。虽然当时并没有机械设计、机械制造、流体润滑等科学技术,但智慧的劳动人民通过观察发现润滑能够起到减磨减阻作用。

经过了几千年的发展,滑动轴承具备了承载范围广、工作平稳、低噪声、工作寿命长等优点,已经成为各类旋转机械产品的重要部件,常被用于能源发电、舰船动力、航空航天、机械制造、石油化工等领域。

滑动轴承工作时,重要的是轴瓦和轴颈之间形成的流体压力润滑膜。流体压力润滑膜一方面起到承载转子的作用,调节油膜压力可实现承载范围的变化;另一方面具有粘性阻尼效应的润滑液体充满了轴颈和轴瓦之间,既减少了固体之间的磨损,又起到了减振降噪的作用,使得滑动轴承能够具有较长的工作寿命。

滑动轴承有很多的种类,一般按照润滑剂种类可分为油轴承、水轴承、脂润滑轴承、磁流体轴承、固体润滑轴承、气体轴承和电磁轴承等;按照轴瓦结构可分为圆轴承、椭圆轴承、多油叶/楔轴承、可倾瓦轴承和箔片轴承等。可根据不同的应用场景选择合适的轴承。

图1 不同种类的滑动轴承

在各类滑动轴承中,气体轴承由于其润滑介质为气体(如空气、氮气等),使其具有更低的摩擦功耗、无污染、回转精度高等优点,在高速支承、低摩擦低功耗支承、高精度支承和特殊工况支承领域具有的优势,被广泛应用于精密仪器、医疗器械、高速微型动力等领域。

我们今天就来给大家详细介绍气体滑动轴承。

气体轴承根据流体压力润滑膜形成原理分为三大类,静压轴承、动压轴承和动静压混合轴承。

气体静压轴承是采用由外部气源或设备供给的气体(多为空气)作为润滑介质,经过节流器进入润滑间隙,形成气膜压力,以支承负载。气体静压轴承按照其节流机制不同可分为小孔节流轴承、狭缝式节流轴承、多孔质和表面节流轴承等。该类轴承具有较大的承载能力和刚度,在高速、低速以至零速时均能正常工作。

气体动压轴承是在转子轴颈和轴瓦两个相对运动的表面之间形成楔形间隙,气体因本身粘性而被带动在此楔形间隙中被压缩而产生压力场,从而支承转子的高速旋转。常见的气体动压轴承类型有人字槽、阶梯式、可倾瓦和箔片轴承。气体动压轴承的优点是无需外带压力气源。

气体动静压混合轴承在结构与性能上结合了静压轴承与动压轴承的优点。

图2 常见的气体轴承

我国气体轴承早应用于空分机械、电主轴、陀螺仪、透平风机等机械设备,在70年代曾经历过一次空气轴承研究和应用的高潮,但由于技术水平受限,前沿技术未完全掌握,其轴承的可靠性差、制造成本高、寿命短,制约了气体轴承技术的发展。随着中国经济的快速持续发展与国家宏观政策的支持,尤其是对高端制造业中关键核心部件的研发投入,以及节能降碳背景下新兴产业(燃料电池空压机、空气悬浮鼓风机等)的崛起,再加上近几十年回国人员的人才政策导向,使得中国的高端气体轴承进入快速发展时期。

中国科学院工程热物理研究所的研究团队,以小孔节流的静压气体轴承与螺旋槽动压气体轴承为对象,开展了气体轴承设计与优化研究、气体轴承-转子系统动力学性能研究,以及气体轴承在高速动力装备中的应用研究。近几年,围绕以动力循环工质流体作为轴承润滑介质的非典型滑动轴承,尤其是超临界二氧化碳工质润滑的轴承,团队研究人员开展了探索性的理论与实验研究。

超临界二氧化碳动力循环具有循环效率高、设备体积小、重量轻等优点,可广泛应用于太阳能、核能、化石能等多个能源领域,被认为是当前具有发展前景的能量转换系统之一。美国一位工程师曾提出一项类似的概念设计,拟采用动静压混合超临界二氧化碳润滑可倾瓦轴承作为兆瓦级超临界二氧化碳涡轮机的中跨轴承。使用超临界二氧化碳作为润滑工质的轴承既能避免闭式循环工质被污染,简化密封结构,降低涡轮机轴系设计难度,同时,超临界二氧化碳润滑轴承的功率损耗比相同结构的油轴承低一个数量级,这也对提高布雷顿循环的整体效率有帮助。

团队研究人员基于超临界二氧化碳作为轴承润滑工质的特点,发展了一种完整变量扰动的偏导数法,引入真实气体效应、热物性变化和湍流效应,揭示了热效应对超临界二氧化碳轴承特性的影响机制。

轴承作为动力设备的核心部件之一,其性能的优劣制约着装备的动力学、可靠性与寿命。发展高端轴承,除了加强高校、科研院所的科技投入以外,发挥企业的自主能动性是关键,尤其在轴承的材料与工艺的创新、关键技术的攻关与验证、市场的资源配置等方面需要大量的投入;同时应构建政产研学用的高端轴承研发体系,引领中国高端轴承的快速发展,以实现高端轴承国产化。

参考文献:

1. http://www.hnsund.com/

2. https://www.sulzer.com/en/shared/campaign/magnetic-vs-air-foil-bearings

3. https://www.epfl.ch/labs/lamd/research/bearings/

4. Steven A. Wright, Ross F. Radel, Milton E. Vernon, et al. Operation and Analysis of a Supercritical CO2 Brayton Cycle. Sandia Report. 2010.

5. Chunxiao Bi, Dongjiang Han, Yao Wu, et al. Thermohydrodynamic investigation for supercritical carbon dioxide high speed tilting pad bearings considering turbulence and real gas effect. Physics of Fluids, 2021, 33, 125114.

来源:中国科学院工程热物理研究所

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