說說高端滑動軸承——從氣體潤滑到特種工質(zhì)潤滑（滑動軸承與滾動軸承相比較有什么優(yōu)點(diǎn)）
發(fā)布時間：2022-10-27 11:37:21 作者：行業(yè)大咖秀 點(diǎn)擊：951
滑動軸承的概念，可以追溯到春秋戰(zhàn)國時期，歷史資料記載，孔子在周游列國的路上讓弟子們在所乘馬車的輪軸上涂油以減小行進(jìn)阻力。雖然當(dāng)時并沒有機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、流體潤滑等科學(xué)技術(shù)，但智慧的勞動人民通過觀察發(fā)現(xiàn)潤滑能夠起到減磨減阻作用。
經(jīng)過了幾千年的發(fā)展，滑動軸承具備了承載范圍廣、工作平穩(wěn)、低噪聲、工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品的重要部件，常被用于能源發(fā)電、艦船動力、航空航天、機(jī)械制造、石油化工等領(lǐng)域。
滑動軸承工作時，重要的是軸瓦和軸頸之間形成的流體壓力潤滑膜。流體壓力潤滑膜一方面起到承載轉(zhuǎn)子的作用，調(diào)節(jié)油膜壓力可實現(xiàn)承載范圍的變化；另一方面具有粘性阻尼效應(yīng)的潤滑液體充滿了軸頸和軸瓦之間，既減少了固體之間的磨損，又起到了減振降噪的作用，使得滑動軸承能夠具有較長的工作壽命。
滑動軸承有很多的種類，一般按照潤滑劑種類可分為油軸承、水軸承、脂潤滑軸承、磁流體軸承、固體潤滑軸承、氣體軸承和電磁軸承等；按照軸瓦結(jié)構(gòu)可分為圓軸承、橢圓軸承、多油葉/楔軸承、可傾瓦軸承和箔片軸承等?？筛鶕?jù)不同的應(yīng)用場景選擇合適的軸承。
圖1 不同種類的滑動軸承
在各類滑動軸承中，氣體軸承由于其潤滑介質(zhì)為氣體（如空氣、氮?dú)獾龋?，使其具有更低的摩擦功耗、無污染、回轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在高速支承、低摩擦低功耗支承、高精度支承和特殊工況支承領(lǐng)域具有的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于精密儀器、醫(yī)療器械、高速微型動力等領(lǐng)域。
我們今天就來給大家詳細(xì)介紹氣體滑動軸承。
氣體軸承根據(jù)流體壓力潤滑膜形成原理分為三大類，靜壓軸承、動壓軸承和動靜壓混合軸承。
氣體靜壓軸承是采用由外部氣源或設(shè)備供給的氣體（多為空氣）作為潤滑介質(zhì)，經(jīng)過節(jié)流器進(jìn)入潤滑間隙，形成氣膜壓力，以支承負(fù)載。氣體靜壓軸承按照其節(jié)流機(jī)制不同可分為小孔節(jié)流軸承、狹縫式節(jié)流軸承、多孔質(zhì)和表面節(jié)流軸承等。該類軸承具有較大的承載能力和剛度，在高速、低速以至零速時均能正常工作。
氣體動壓軸承是在轉(zhuǎn)子軸頸和軸瓦兩個相對運(yùn)動的表面之間形成楔形間隙，氣體因本身粘性而被帶動在此楔形間隙中被壓縮而產(chǎn)生壓力場，從而支承轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)。常見的氣體動壓軸承類型有人字槽、階梯式、可傾瓦和箔片軸承。氣體動壓軸承的優(yōu)點(diǎn)是無需外帶壓力氣源。
氣體動靜壓混合軸承在結(jié)構(gòu)與性能上結(jié)合了靜壓軸承與動壓軸承的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 常見的氣體軸承
我國氣體軸承早應(yīng)用于空分機(jī)械、電主軸、陀螺儀、透平風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備，在70年代曾經(jīng)歷過一次空氣軸承研究和應(yīng)用的高潮，但由于技術(shù)水平受限，前沿技術(shù)未完全掌握，其軸承的可靠性差、制造成本高、壽命短，制約了氣體軸承技術(shù)的發(fā)展。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)發(fā)展與國家宏觀政策的支持，尤其是對高端制造業(yè)中關(guān)鍵核心部件的研發(fā)投入，以及節(jié)能降碳背景下新興產(chǎn)業(yè)（燃料電池空壓機(jī)、空氣懸浮鼓風(fēng)機(jī)等）的崛起，再加上近幾十年回國人員的人才政策導(dǎo)向，使得中國的高端氣體軸承進(jìn)入快速發(fā)展時期。
中國科學(xué)院工程熱物理研究所的研究團(tuán)隊，以小孔節(jié)流的靜壓氣體軸承與螺旋槽動壓氣體軸承為對象，開展了氣體軸承設(shè)計與優(yōu)化研究、氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)性能研究，以及氣體軸承在高速動力裝備中的應(yīng)用研究。近幾年，圍繞以動力循環(huán)工質(zhì)流體作為軸承潤滑介質(zhì)的非典型滑動軸承，尤其是超臨界二氧化碳工質(zhì)潤滑的軸承，團(tuán)隊研究人員開展了探索性的理論與實驗研究。
超臨界二氧化碳動力循環(huán)具有循環(huán)效率高、設(shè)備體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于太陽能、核能、化石能等多個能源領(lǐng)域，被認(rèn)為是當(dāng)前具有發(fā)展前景的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一。美國一位工程師曾提出一項類似的概念設(shè)計，擬采用動靜壓混合超臨界二氧化碳潤滑可傾瓦軸承作為兆瓦級超臨界二氧化碳渦輪機(jī)的中跨軸承。使用超臨界二氧化碳作為潤滑工質(zhì)的軸承既能避免閉式循環(huán)工質(zhì)被污染，簡化密封結(jié)構(gòu)，降低渦輪機(jī)軸系設(shè)計難度，同時，超臨界二氧化碳潤滑軸承的功率損耗比相同結(jié)構(gòu)的油軸承低一個數(shù)量級，這也對提高布雷頓循環(huán)的整體效率有幫助。
團(tuán)隊研究人員基于超臨界二氧化碳作為軸承潤滑工質(zhì)的特點(diǎn)，發(fā)展了一種完整變量擾動的偏導(dǎo)數(shù)法，引入真實氣體效應(yīng)、熱物性變化和湍流效應(yīng)，揭示了熱效應(yīng)對超臨界二氧化碳軸承特性的影響機(jī)制。
軸承作為動力設(shè)備的核心部件之一，其性能的優(yōu)劣制約著裝備的動力學(xué)、可靠性與壽命。發(fā)展高端軸承，除了加強(qiáng)高校、科研院所的科技投入以外，發(fā)揮企業(yè)的自主能動性是關(guān)鍵，尤其在軸承的材料與工藝的創(chuàng)新、關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與驗證、市場的資源配置等方面需要大量的投入；同時應(yīng)構(gòu)建政產(chǎn)研學(xué)用的高端軸承研發(fā)體系，引領(lǐng)中國高端軸承的快速發(fā)展，以實現(xiàn)高端軸承國產(chǎn)化。
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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.
來源：中國科學(xué)院工程熱物理研究所
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