气体箔片轴承的结构类型及发展历程

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气体箔片轴承的研究已有较长的历史，Sundberg[1]最早于1906年申请了专利并首次提出了柔性表面轴承的概念。随后的研究者Hoyt和Wikander分别于1912年和1921年申请了柔性表面轴承的专利[2, 3]。有关箔片轴承的理论研究最早始于1953年，Blok和Van Rossum[4]发表针对油润滑箔片轴承的论文并首次提出了“Foil Bearing”这一专业词汇。1957年，Patel和Cameron[5]在Lubrication and Wear会议上发表了关于箔片轴承方面的研究工作。箔片轴承的潜在优势使其很快应用到高速气体润滑领域。1965年, Ma[6]发表了论文对气体箔片轴承进行了初步的研究。随后，Licht[7-9]在1966年和1969年之间对气体箔片轴承进行了大量的实验研究，并与NASA合作搭建了最高转速达48krpm的气体箔片轴承实验测试系统。从20世纪60年代开始，气体箔片轴承的研究和应用都得到了飞速的发展。60年代中期，Garrett AirResearch公司做了很多气体箔片轴承相关的研究工作，制造了一系列实验室产品和样机[10]。气体箔片轴承后来被广泛应用于军用和民用飞机的空气循环机（ACMs）中，包括DC-10，波音727等。对气体箔片轴承结构的革新设计和先进耐高温、耐磨损材料的引入提高了轴承的承载能力和系统的高速稳定性，拓展了其应用范围，使由箔片支承的旋转机械向更高转速、更大功率方向发展[11, 12]。随着气体箔片轴承的应用环境越来越复杂和苛刻，其弹性支承结构也在不断发展，气体箔片径向轴承结构的发展历程及其主要形式如下：

（1）张紧型（Tension Type）

1928年，英国ThomsonHouton公司的A.A.Pollock发明了张紧型（Tension Type Foil Bearings）气体箔片径向轴承，后来经过Jones等人的改进逐渐产生了如图1所示的箔片轴承结构并申请了专利[13, 14]。张紧型箔片轴承的主要部件为轴承套、平箔片、调整螺栓、张紧销和导向销，其利用张紧销和导向销拉紧平箔片并调整箔片和转轴表面之间的张紧配合程度。当转轴旋转时，气体被带动进入转轴表面与箔片之间的楔形区域形成动压气膜，使转轴悬浮。在20世纪50年代后期这种箔片轴承被广泛应用在磁带式数据记录设备中。但是在实际应用中，张紧型设计使箔片长期处于高强度的拉伸状态，箔片在较大的内部应力下容易疲劳断裂导致该类型轴承的使用寿命很低，因此并不适用于透平机械领域。同时，过大的启动力矩和复杂的结构也限制了张紧型箔片轴承的使用范围，后期逐渐被其他结构的箔片轴承取代[8]。

图1 张紧型气体箔片径向轴承[14]

（2）多叶型（Multileaf Type）

20世纪60年代，为了应对航空航天技术发展过程中对轴承技术高转速、高寿命和高稳定性的需求，在美国航空航天局的支持下，多叶型气体箔片轴承（Multileaf Type Foil Bearings）被开发出来，并成功应用到民航客机和军用飞机的座舱空气循环系统（ACM）中，如波音系列客机，F系列战斗机，麦道DC-10和A-7E歼击机等[10]。如图2（a）所示，多叶型气体箔片轴承的内表面由多块独立的箔片依次交错排列搭接组成。每片箔片的一端固定在轴承套内表面的矩形槽中，另一端叠加在相邻箔片上表面，形成完整的轴承柔性内表面。当转轴不旋转时，翘起的箔片自由端和轴表面存在接触预载，形成收敛的楔形间隙。当转轴开始转动时，叶片在气膜压力的作用下沿轴承径向膨胀，在转轴和轴承表面形成稳定的气膜[15]。后期改进型的多叶型箔片轴承在叶型箔片背部添加了支撑弹簧，能够防止箔片具有过大的变形，显著提高了该类型轴承的极限承载能力[16]。多叶型箔片轴承是20世纪70年代应用最广泛、最成功的气体箔片轴承之一。

（a）多叶型气体箔片轴承  

（b）Back-spring式多叶型气体箔片轴承

图2 多叶型气体箔片径向轴承[15, 16]

（3）平箔型（Plate-foil Type）

日本大阪产业大学的Hayashi 于1987年提出了平箔型箔片轴承（Plate-foil Type Foil Bearings），其具体结构如图3所示。柔性平箔片分多层环绕在轴承套内，并在转轴外形成一个封闭的轴承表面[17]。在多层平箔片之间，大量细铜丝按一定规律沿圆周方向和轴向排布，为平箔片提供径向刚度支承，形成柔性的轴承表面。实验结果显示该类型箔片轴承支承的转子系统能够在89 krpm下稳定运转，表现出了极好的高速稳定性[18]。

（4）缠绕型（Coiled Type）

缠绕性气体箔片轴承（Coiled Type Foil Bearings）由美国的Licht于70年代末提出并申请了专利，其具体结构如图4所示[19]。弹性箔片被预弯曲为准多边形结构并被卷曲装入轴承套内，形成箔片轴承的多层柔性支承结构。多边形的箔片靠张力与轴承套内表面贴近，内层箔片与转轴表面接触并形成多个楔形间隙，有利于气体动压效应的形成，为该类型箔片轴承提供承载能力。

图3 平箔型气体箔片径向轴承[17]

图4 缠绕型气体箔片径向轴承[19]

（5）波箔型（Bump Type）

波箔型气体箔片轴承（Bump Type Foil Bearings）是目前研究最集中、应用最广泛和成功的气体箔片轴承。波箔型箔片轴承包含三个主要结构部件：顶箔、波箔和轴承套。顶箔和波箔位于轴承套内，相互配合形成圆弧形的柔性表面，为轴承提供结构刚度和阻尼性能。波箔型箔片轴承具有承载能力高、稳定性好、寿命长和高速高温性能稳定等诸多优点，在轻载高速涡轮机械中得到了广泛的应用[11]。以波箔的结构类型、刚度分布形式和轴承的极限承载能力为划分标准，根据其发展历程可以将波箔型箔片轴承分为三代[20-22]：

  · 第一代波箔型气体箔片轴承

20世纪60年代末，美国MTI公司在美国能源部和航空航天局的共同资助下开发了第一代波箔型气体箔片轴承。波箔型箔片轴承中顶箔由单片平整的箔片卷曲而成，形成轴承光滑的柔性内表面。波箔由平箔片经模具压制后具有沿宽度方向延伸并沿长度方向分布的圆弧状波纹凸起，并被卷曲成型为圆弧状。波箔位于轴承套和顶箔之间，为顶箔提供柔性支承。顶箔和波箔的一端固定在轴承套的内表面，另一端自由无约束。第一代波箔型箔片轴承的特征为波箔是完整的单片箔片，其结构刚度沿轴承轴向均匀分布并在圆周方向具有和波纹凸起相关的周期性变化，其具体结构如图5所示。

图5 第一代波箔型气体箔片径向轴承[23]

  · 第二代波箔型气体箔片轴承

1981年，Bhushan和Gray等人[24]对第一代波箔型箔片轴承的支承结构进行改进和优化，形成了第二代波箔型箔片轴承。第二代波箔型箔片轴承中波箔片沿轴向和周向被分割成多条宽度和结构参数不同的条状箔片，相邻条状箔片上的波纹凸起相互交错分布，单条箔片上的波纹布置形式灵活多变，其具体结构示意图如图6所示。第二代波箔型箔片轴承具有优化的波箔分布形式，使得轴承的结构刚度能够根据气膜压力和气膜厚度分布特点在轴向和周向上进行调整，大幅提高了波箔型箔片轴承的极限承载力和系统稳定性[25]。

  · 第三代波箔型气体箔片轴承

第三代波箔型气体箔片轴承具有更为复杂的柔性支承结构和刚度分布形式，其结构刚度沿轴承径向也做了很多的优化以进一步提高轴承的承载能力和稳定性，同时还可以降低轴承的启动转矩，提高轴承的寿命。1999年，Heshmat[26]将多孔箔带加入波箔和顶箔之间，使轴承的结构刚度沿周向的分布更加均匀，减小了顶箔在气体压力下的局部凹陷和端部气体泄漏，提高了轴承的承载能力，如图7所示。Kang和Sacille等[27]利用两片互相交错重叠分布的波箔作为柔性结构支承顶箔，使轴承的结构刚度沿径向变化并随箔片变形的幅值呈现明显的非线性特点。该结构设计能够降低轴承的启动力矩，减小顶箔固体润滑涂层在启停阶段的磨损，提高轴承的使用寿命。同时，非线性的结构刚度能够防止轴承在高负载情况下支承结构的过度变形，提高了轴承的承载能力和稳定性。

图6 第二代波箔型气体箔片径向轴承[24]

图7 第三代波箔型气体箔片径向轴承[28]

（6）   弹簧型（Compression Springs Type）

为了简化箔片轴承的加工工艺，降低制造成本，Ju-ho Song[29]于2006年提出了一种以螺旋弹簧作为柔性支承结构的箔片轴承（Compression Springs Type Foil Bearings）。螺旋弹簧被放置在沿轴承套圆周方向分布的轴向通孔中，其突出轴承套内表面部分与顶箔接触，起到支承轴承内表面的作用。通过改变弹簧的丝径、螺距和周向分布的个数，可以方便的改变轴承的结构刚度。但是由于弹簧在一个轴承中的个数受到结构限制，弹簧型箔片轴承的结构刚度和阻尼系数都偏小，影响了轴承的承载能力和稳定性。为了提高该类型轴承的性能，胡锦[30]利用弹簧互相嵌入的方法使轴承周向弹簧个数增加，并在弹簧上施加轴向预紧力，提高了轴承的结构刚度和弹簧之间的库伦摩擦阻尼。实验和理论结果证明嵌入弹簧型箔片轴承具有较好的结构刚度和阻尼特性。

图8 弹簧型气体箔片径向轴承[31]

（7）金属丝网型（Metal Mesh Type）

2004年，Lee和Kim[32]提出一种使用多孔金属丝网材料作为柔性支承结构的箔片轴承并申请了专利。金属丝网型箔片轴承（Metal Mesh Foil Bearings）以环形金属丝网材料取代传统轴承中的箔片结构作为弹性支承，顶箔固定在金属丝网环的内侧，如图9所示。2010年，San Andres和Chirathadam等[33]对该类型轴承进行优化设计并测量了其静、动态结构刚度和阻尼系数。随后的理论和实验研究证明，与传统的波箔型箔片轴承相比金属丝网型箔片轴承具有较大的库伦阻尼系数，能够有效的耗散系统振动能量，提高轴承-转子系统的稳定性[34-36]。

图9 金属丝网型气体箔片径向轴承[33]

（8）多悬臂型（Multi-Cantilever Type）

2014年Feng和Zhao等[37]提出了一种以具有多悬臂梁结构的底层箔片作为顶箔支承的箔片轴承（Multi-Cantilever Foil Bearings）并对其静、动态特性进行了一系列实验。底层支承箔片上经线切割得到一系列均匀排列的悬臂型凸起，并在凸起的自由端中间位置切割出矩形通槽。三片支承箔片被放置在顶箔和波箔之间并由顶箔上的矩形凸起固定位置，如图10所示。该设计使轴承具有非线性的结构刚度特性，降低轴承的启动力矩，提高轴承的使用寿命。通过改变支承箔片的尺寸、厚度和其他结构参数，该类型箔片轴承的结构刚度和阻尼特性可以进一步被优化设计。

图10 多悬臂型气体箔片径向轴承[37]

图11 鼓泡型气体箔片径向轴承[38]

（9） 鼓泡型（Multiwound Type）

鼓泡型气体箔片轴承（Multiwound Type FoilBearings）的柔性支承结构由一条部分区域带鼓泡凸起的箔片缠绕并固定在轴承套内构成，其结构如图11所示。鼓泡型箔片轴承结构简单，易于加工，在日本已经研究了超过20年。Kaneko[39]等人建立实验台对此类型轴承的静态和动态特性进行了实验研究。Feng和Kaneko等[40,41]对鼓泡型箔片轴承提出了一个全面的数值计算模型，并对轴承的静、动态特性进行了理论研究。

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