1.4 懸浮類軸承

懸浮類軸承包括水懸浮軸承、氣懸浮軸承、磁懸浮軸承和油懸浮軸承，一般應用在傳統滾動軸承難以適應的pv值范圍之外，適應極端環境或苛刻工作參數。懸浮類軸承依靠介質（流體或磁場）的動壓、靜壓產生懸浮力，在軸承的動靜件之間形成間隙，從而實現軸承工作的支撐力。

1.4.1 水懸浮軸承

水懸浮軸承習慣上稱為水潤滑軸承。其實，這兩個名稱具有很大差別：懸浮是不接觸、懸空狀態，潤滑是輔助接觸。懸浮類軸承的介質除了潤滑作用外，更重要的是承受載荷。水潤滑軸承是液體潤滑滑動軸承（摩擦副）的兩種經典形式之一。與油潤滑相比，水潤滑摩擦副具有以下特點：

1）成本低。用水替代油作潤滑介質，使用成本低。

2）環保衛生。對環境和人類健康沒有任何危害，有利于環境保護。

3）安全性好。水不會燃燒，也能維持更長時間的工作穩定性。

4）易維護保養。水本身就具有清潔功能，所以水作介質的摩擦副系統的維護保養非常方便。

水懸浮軸承材料主要是自然水或水基液和非金屬類材料，也使用少量的金屬材料，具有節能、減排、減振、降噪、安全、可靠、耐磨、高效、長壽命和無污染等優點，可廣泛應用于船舶、海洋、機械、礦山、冶金及國防軍工等重要裝備領域的傳動系統上。水潤滑塑料或橡膠軸承在船舶行業已得到廣泛應用，水或水基液潤滑陶瓷軸承、靜壓水潤滑導軌軸承等也逐漸開始應用。

水潤滑軸承襯套常用的材料有鐵梨木、夾布膠木、膠合層板、工程塑料、陶瓷、橡膠及橡膠合金以及金屬等。不同材質的水潤滑軸承性能相差很大。

從20世紀40年代末開始，蘇聯對用水作潤滑液的流體靜力軸承和流體動力軸承的特性和材料進行了深入研究。美國、英國、德國、日本以及其他國家在隨后的五六十年代也在水潤滑軸承方面做了大量研究工作，水泵、液壓元件和船舶尾軸中均應用了水潤滑軸承。

從20世紀50年代中期開始，我國在船用離心泵和軸流泵中采用水潤滑軸承，從60年代初期開始進行理論探索和試驗研究工作。但大多是從國外引進技術，通過模型試驗、對比和評價試驗等總結出經驗參數而設計制造。改革開放以來，一些大學、科研院所和企業合作研制的工程應用水潤滑軸承取得成功，取得了多項具有自主知識產權并達到國際先進水平的科技成果，自主開發生產水潤滑軸承系列產品，并出口到歐美30多個國家和地區。

基于對石油資源和環境保護的考慮，全球對水及水基液代替礦物油用作機械傳動工作介質的興趣日益濃厚。我國船舶等海洋工程裝備和核電、高檔機床的發展，對高端水潤滑軸承產品提出了更旺盛、更迫切的需求，對水潤滑軸承振動、噪聲、可靠性、承載能力和壽命等性能提出了越來越苛刻的技術要求。

但是，我國工業領域對水潤滑軸承的關注度不夠，缺乏研究力度和深度，未能突破相關的核心技術，與國外先進水平差距大，自主產品沒有性價比優勢，不具有競爭力。

與國外先進技術水平相比，我國在多場多介質耦合條件下高端水潤滑軸承潤滑機理、系統動力學、材料改性、環境效應分析和試驗技術研究等基礎研究方面有較大差距，低噪聲、高可靠性、長壽命、大尺寸、高比壓、超潤滑、高精度、高剛度、低能耗和智能化等高性能水潤滑軸承創新設計制造理論、方法和技術是我國高端水潤滑軸承迫切需要解決的共性和關鍵科學技術難題。

全面綜合運用界面力學、摩擦學、表面工程、系統動力學、材料科學、先進制造、可靠性工程和測試技術等多學科交叉融合，協同創新設計理論、方法和技術，是解決高端水潤滑軸承及水潤滑摩擦副問題的重要途徑。

需要突破的關鍵技術主要有：

1）多場耦合條件下水潤滑軸承系統動態服役行為。

2）水潤滑軸承的混合潤滑機理。

3）軸—水膜—軸承的非線性動力學與摩擦學耦合特性。

4）水潤滑軸承及系統振動噪聲機理分析及其控制策略。

5）基于界面與系統科學的水潤滑軸承可靠性設計理論和方法。

6）水潤滑軸承多學科交叉創新優化設計方法。

7）多場耦合條件的水潤滑軸承及傳動系統綜合性能實驗方法及評價體系。

8）高端水潤滑軸承材料配方設計、制備與精密成形制造方法。

9）高端水潤滑軸承工程應用關鍵技術及其產業化。

10）高速、加速度劇烈變化的情況下，水與固體界面滑移的深入分析與控制。

1.4.2 氣懸浮軸承

氣懸浮軸承（氣體軸承）是以氣體為介質的新型滑動軸承，具有結構緊湊、回轉精度高、摩擦功耗小、振動小、零污染、極高轉速下摩擦熱低、極低運動速度時無爬行以及可在特殊環境中穩定工作等一系列優點。在精密工程、超精密工程、微細工程、空間技術、電子精密儀器、醫療器械及核工程等領域中有著十分廣闊的應用前景。隨著現代工業的飛速發展及高科技的日益普及，關于氣體軸承的理論研究和應用技術正在日趨成熟。

1.分類

根據壓力產生的原理，氣體軸承大體可分為動壓型氣體軸承、靜壓型氣體軸承和壓膜型氣體軸承，如圖1-2所示。

動壓型氣體軸承又稱“自作用軸承”，就是不需要外加氣源，能在流體動力作用下產生支承效果。

靜壓型氣體軸承是將外部的壓縮氣體通過節流器導入界面，形成氣膜壓力，以支承負載。靜壓氣體軸承必須由外部提供氣源。

壓膜型氣體軸承是利用相互接觸的面沿垂直方向振動而使間隙內壓力的平均值高于周圍環境壓力這一原理，即由于氣體具有黏性，間隙內的氣體不可能快速出入，從而使壓力升高，以支承載荷。

2.特點

氣體軸承具有以下特點：

1）摩擦阻力極低。氣體黏度比液體低得多（室溫下空氣粘度僅為10號機械油的1/5000），而軸承的摩擦阻力與黏度成正比。

2）適用速度范圍大。摩擦阻力低決定溫升低，當轉速為5萬r/min時，溫升為20～30℃；最高轉速可達100萬r/min，氣體靜壓軸承還能用于極低速度，甚至零速。

3）適用溫度范圍廣。氣體黏度受溫度影響很小，適用工作溫度范圍可達-265～1650℃。

4）承載能力低。由于動壓軸承承載能力與黏度成正比，加之氣體的可壓縮性（單位投影面積上的載荷只能加到0.36MPa），氣體動壓軸承的承載能力只有相同尺寸液體動壓軸承的千分之幾。

5）加工精度要求高。為提高氣體軸承的承載能力和氣膜剛度，通常采用比液體潤滑軸承小的軸承間隙（小于0.015mm），需要相應地提高零件精度。

3.國內外研發應用成果

隨著氣體軸承理論的完善和實用技術的發展，國內外氣體軸承成果主要集中在以下4個方面：

1）新型氣體軸承的開發，如多孔質氣體軸承、表面節流軸承、氣體浮環軸承及箔片軸承等產品研制及相應的理論分析與設計。

2）高速穩定性的機理分析和穩定界限的判定方法探討。

3）計算機磁頭氣體潤滑理論及在玻耳茲曼方程上形成的薄膜潤滑理論研究。

4）氣體潤滑理論中的特殊問題探討，如超聲速流影響。

氣體軸承主要應用于高速環境：

①支承10×104～20×104r/min高速、超高速傳動主軸。

②轉速為8×104～12×104r/min，工作溫度為-200～120℃的低溫透平膨脹機主軸支承。

③轉速達50×104r/min的高速高檔牙鉆的支承。

④發動機用氣體軸承。

氣體軸承是飛機、人造衛星、宇宙飛船等空間飛行器發動機或透平原動機的理想支承。美國MT公司、Aireseacrh公司開發的透平壓縮機和透平交流發電機均采用氮、氦混合氣體潤滑的氣體軸承支承，飛機座艙空調用渦輪制冷機也采用氣體軸承。

⑤高速離心分離機。近年來，化工、生物工程等需要的高性能離心分離機多采用氣體軸承支承。

4.設計理論

對傳統設計理論的假設需作深入的分析，精確求解氣體軸承的全部雷諾方程均需要新的探索。在高速流情況下，氣體介質的非連續性、氣體等溫流動、氣體質性效應，以及在氣膜厚度極小時的表面粗糙度及氣體分子平均自由行程的影響因素、產生激波的可能性以及氣體層流流動的假設等必須重新考慮。

5.傳統潤滑技術與數字技術的結合

通過計算機技術來解決軸承精準設計問題，如靜特性、動特性、穩定性和結構優化問題等；通過中央控制系統，對軸承—轉子系統實現全面實時監控，集成檢測、預警及自我修復功能；通過數字網絡技術實現軸承服役的智能化。

6.結構與性能優化

研發高精度、高性能新型結構的氣體軸承，提高軸承的剛度及承載力，以適應高新技術和尖端技術發展的需要。在設計和工藝方面，致力于工作可靠性、制造工藝性、實用性等的研究，研制和開發結構簡單、制造容易、使用可靠的普及型氣體潤滑軸承。

7.新材料、新技術的應用技術

如多孔質節流材料在靜壓氣體軸承中應用、耐高溫涂層材料在動壓氣體軸承中應用的研究。隨著潤滑技術向微觀世界發展，“分子潤滑”已經成為可能。隨著單原子操縱技術的向前推進，納米材料技術的廣泛應用，新材料將為氣體軸承的設計提供新的思路。

1.4.3 磁懸浮軸承

1.工作原理

磁懸浮軸承是利用磁力將被控對象穩定懸浮于給定的位置、實現無機械接觸的一種高性能軸承。常用的主動磁懸浮軸承由傳感器、被懸浮物體（轉子）、控制器和執行器四大部分組成。其工作原理：通過位置傳感器檢測轉子軸的偏差信號，控制器接收到信號后，計算輸出控制信號，通過功率放大器控制電磁鐵中的電流，調節電磁力的大小，從而將轉子穩定懸浮于工作位置，如圖1-3所示。

2.優點

與傳統軸承相比，磁懸浮軸承具有以下幾個主要優點：

1）無機械接觸、無摩擦、無磨損、長壽命、免潤滑、高效率及低噪聲。

2）低功耗。特別是永磁與電磁混合型軸承的功率損耗僅為傳統機械軸承的1/20～1/5，是空氣靜壓軸承的1/10～1/5。

3）剛度和阻尼實時可控可調，可平穩跨臨界，動態性能更好。

4）自動不平衡補償，可使轉子繞其慣性主軸回轉，降低振動。

我國開始進行磁懸浮軸承技術研究已有30多年的時間，該技術至今已走向成熟。雖然我國已率先在世界上建成了磁懸浮列車并投入商業運營，但迄今為止，磁懸浮軸承的研發基本上局限在大學的實驗室，未來，應該從大學逐漸向工業界發展。在不久的將來，磁懸浮軸承技術將廣泛應用于我國的經濟社會與民生工程。

磁懸浮軸承的應用可以顯著提高機械裝備的整體性能，甚至催生出全新的機械裝備類型，從而推動整機技術的發展。目前的磁懸浮技術已經可以滿足工業領域的實際應用。

3.應用領域

由于研發和制造成本相對較高，目前磁懸浮軸承主要應用在高性能要求、高附加值產品及環境特殊的領域。在新興能源、節能減排和尖端武器裝備等關系到國家安全的重大戰略領域，磁懸浮軸承技術已成為主要裝備的核心技術，發揮著重要作用；憑借其優異的性能，在傳統工業及國計民生領域也有廣闊的發展空間與推廣價值。

（1）能源領域

1）天然氣輸送。天然氣輸送管線應用的大功率天然氣壓縮機以磁懸浮軸承替代傳統的滾動軸承，可以提高壓縮機的效能，顯著延長維修周期。

2）低溫熱源發電。利用工業廢棄的低溫（80～200℃）余熱發電，具有顯著的社會經濟效益。磁懸浮軸承技術是低溫熱源發電技術中的關鍵技術，可以有效降低發電機組的起動功率，減少機械磨損，提高機械能到電能的轉換效率，延長維護周期。

3）核能、風能和電站蓄能。磁懸浮軸承技術在這些領域中也有廣泛的應用。

（2）武器裝備 采用磁懸浮軸承的潛艇制冷系統，噪聲比常規的制冷系統低5～10dB，對提高戰略核潛艇的隱蔽性具有重大意義。

用磁懸浮軸承取代傳統滾動軸承設計的多電發動機（也稱全電發動機）是航空發動機的未來發展方向。

磁懸浮軸承可以滿足傳統軸承無法滿足的高性能飛輪儲能裝備的支承要求。磁懸浮軸承技術是航空母艦電磁彈射器的關鍵技術，電磁炮、激光武器的蓄能器等都需要應用磁懸浮軸承技術。

4.關鍵技術

磁懸浮軸承的原理并不復雜，但要按其原理設計和制造出具有實際應用價值的裝備或產品，滿足市場需求則需要解決一系列的技術難題。具有共性的關鍵技術如下：

（1）大型柔性轉子的穩定性技術 重達若干噸、長達10m以上的大型轉子高轉速、大柔性的運轉特性，需經受“一階彎曲臨界轉速”的考驗，磁懸浮軸承的剛度和阻尼特性都可以實時控制，理論上穩定性問題可得到有效解決。但柔性轉子的多自由度超過徑向磁軸承的自由度，問題就復雜了。清華大學等單位在較小尺寸的轉子上實現了跨越前兩階彎曲臨界，但對于大型轉子需要進一步的實驗研究，以突破大型轉子的穩定性設計技術。

（2）極端特殊條件下磁懸浮軸承的應用技術 極端特殊條件指高溫、核輻射、真空及腐蝕性液體等環境，磁懸浮軸承需要適應相應的環境參數，如550℃的高溫、高真空度、透過0.5～1mm厚的不銹鋼壁對轉子位置進行檢測并對轉子進行懸浮等。滿足這些極端特殊環境要求，需要在材料、結構、加工制造工藝和控制算法等方面采取一系列的專門措施和具有相應的實驗條件以及多個學科的協同努力。

（3）失效預防與保護技術 磁懸浮軸承故障的主要形式是功率驅動等電子部件的故障與控制程序走飛，偶爾也有高速轉子在巨大的離心力作用下產生機械故障。預防故障和減少故障損失需提高電子部件和控制程序的可靠性，同時配備保護軸承來爭取排除故障或降低損失的時間。要設計出有效的保護軸承，需要研究高轉速故障轉子的運動行為和測試保護軸承性能。故障轉子軸承系統是嚴重非線性系統，伴隨很大的不確定性，需要系統研究，需要進行大量現場工作環境下的實驗和測試，需要多部門、多學科的技術合作，建造不同結構和尺寸的實驗平臺，取得保護軸承的實驗數據和設計方法。

（4）高綜合性能軟磁材料 軟磁材料是磁懸浮軸承中的關鍵材料，主要參數包括磁性參數[飽和磁通密度、磁導率、矯頑力（磁滯損耗）、電阻率（渦流損耗）]和力學性能，磁懸浮軸承對力學性能的要求更高一些。目前磁懸浮軸承所用的材料主要是為開關頻率較高的功率電子設備開發的，其力學性能或機械形態并不適合于磁懸浮軸承。需要根據磁懸浮軸承的要求，與軟磁材料領域合作，改善已有材料的性能，開發新的高綜合性能軟磁材料。尤其是對于不能疊片的軸向磁軸承，需要開發具有較大電阻率、優越機械形態、良好綜合性能的軟磁材料。