1.4 悬浮类轴承

悬浮类轴承包括水悬浮轴承、气悬浮轴承、磁悬浮轴承和油悬浮轴承，一般应用在传统滚动轴承难以适应的pv值范围之外，适应极端环境或苛刻工作参数。悬浮类轴承依靠介质（流体或磁场）的动压、静压产生悬浮力，在轴承的动静件之间形成间隙，从而实现轴承工作的支撑力。

1.4.1 水悬浮轴承

水悬浮轴承习惯上称为水润滑轴承。其实，这两个名称具有很大差别：悬浮是不接触、悬空状态，润滑是辅助接触。悬浮类轴承的介质除了润滑作用外，更重要的是承受载荷。水润滑轴承是液体润滑滑动轴承（摩擦副）的两种经典形式之一。与油润滑相比，水润滑摩擦副具有以下特点：

1）成本低。用水替代油作润滑介质，使用成本低。

2）环保卫生。对环境和人类健康没有任何危害，有利于环境保护。

3）安全性好。水不会燃烧，也能维持更长时间的工作稳定性。

4）易维护保养。水本身就具有清洁功能，所以水作介质的摩擦副系统的维护保养非常方便。

水悬浮轴承材料主要是自然水或水基液和非金属类材料，也使用少量的金属材料，具有节能、减排、减振、降噪、安全、可靠、耐磨、高效、长寿命和无污染等优点，可广泛应用于船舶、海洋、机械、矿山、冶金及国防军工等重要装备领域的传动系统上。水润滑塑料或橡胶轴承在船舶行业已得到广泛应用，水或水基液润滑陶瓷轴承、静压水润滑导轨轴承等也逐渐开始应用。

水润滑轴承衬套常用的材料有铁梨木、夹布胶木、胶合层板、工程塑料、陶瓷、橡胶及橡胶合金以及金属等。不同材质的水润滑轴承性能相差很大。

从20世纪40年代末开始，苏联对用水作润滑液的流体静力轴承和流体动力轴承的特性和材料进行了深入研究。美国、英国、德国、日本以及其他国家在随后的五六十年代也在水润滑轴承方面做了大量研究工作，水泵、液压元件和船舶尾轴中均应用了水润滑轴承。

从20世纪50年代中期开始，我国在船用离心泵和轴流泵中采用水润滑轴承，从60年代初期开始进行理论探索和试验研究工作。但大多是从国外引进技术，通过模型试验、对比和评价试验等总结出经验参数而设计制造。改革开放以来，一些大学、科研院所和企业合作研制的工程应用水润滑轴承取得成功，取得了多项具有自主知识产权并达到国际先进水平的科技成果，自主开发生产水润滑轴承系列产品，并出口到欧美30多个国家和地区。

基于对石油资源和环境保护的考虑，全球对水及水基液代替矿物油用作机械传动工作介质的兴趣日益浓厚。我国船舶等海洋工程装备和核电、高档机床的发展，对高端水润滑轴承产品提出了更旺盛、更迫切的需求，对水润滑轴承振动、噪声、可靠性、承载能力和寿命等性能提出了越来越苛刻的技术要求。

但是，我国工业领域对水润滑轴承的关注度不够，缺乏研究力度和深度，未能突破相关的核心技术，与国外先进水平差距大，自主产品没有性价比优势，不具有竞争力。

与国外先进技术水平相比，我国在多场多介质耦合条件下高端水润滑轴承润滑机理、系统动力学、材料改性、环境效应分析和试验技术研究等基础研究方面有较大差距，低噪声、高可靠性、长寿命、大尺寸、高比压、超润滑、高精度、高刚度、低能耗和智能化等高性能水润滑轴承创新设计制造理论、方法和技术是我国高端水润滑轴承迫切需要解决的共性和关键科学技术难题。

全面综合运用界面力学、摩擦学、表面工程、系统动力学、材料科学、先进制造、可靠性工程和测试技术等多学科交叉融合，协同创新设计理论、方法和技术，是解决高端水润滑轴承及水润滑摩擦副问题的重要途径。

需要突破的关键技术主要有：

1）多场耦合条件下水润滑轴承系统动态服役行为。

2）水润滑轴承的混合润滑机理。

3）轴—水膜—轴承的非线性动力学与摩擦学耦合特性。

4）水润滑轴承及系统振动噪声机理分析及其控制策略。

5）基于界面与系统科学的水润滑轴承可靠性设计理论和方法。

6）水润滑轴承多学科交叉创新优化设计方法。

7）多场耦合条件的水润滑轴承及传动系统综合性能实验方法及评价体系。

8）高端水润滑轴承材料配方设计、制备与精密成形制造方法。

9）高端水润滑轴承工程应用关键技术及其产业化。

10）高速、加速度剧烈变化的情况下，水与固体界面滑移的深入分析与控制。

1.4.2 气悬浮轴承

气悬浮轴承（气体轴承）是以气体为介质的新型滑动轴承，具有结构紧凑、回转精度高、摩擦功耗小、振动小、零污染、极高转速下摩擦热低、极低运动速度时无爬行以及可在特殊环境中稳定工作等一系列优点。在精密工程、超精密工程、微细工程、空间技术、电子精密仪器、医疗器械及核工程等领域中有着十分广阔的应用前景。随着现代工业的飞速发展及高科技的日益普及，关于气体轴承的理论研究和应用技术正在日趋成熟。

1.分类

根据压力产生的原理，气体轴承大体可分为动压型气体轴承、静压型气体轴承和压膜型气体轴承，如图1-2所示。

动压型气体轴承又称“自作用轴承”，就是不需要外加气源，能在流体动力作用下产生支承效果。

静压型气体轴承是将外部的压缩气体通过节流器导入界面，形成气膜压力，以支承负载。静压气体轴承必须由外部提供气源。

压膜型气体轴承是利用相互接触的面沿垂直方向振动而使间隙内压力的平均值高于周围环境压力这一原理，即由于气体具有黏性，间隙内的气体不可能快速出入，从而使压力升高，以支承载荷。

2.特点

气体轴承具有以下特点：

1）摩擦阻力极低。气体黏度比液体低得多（室温下空气粘度仅为10号机械油的1/5000），而轴承的摩擦阻力与黏度成正比。

2）适用速度范围大。摩擦阻力低决定温升低，当转速为5万r/min时，温升为20～30℃；最高转速可达100万r/min，气体静压轴承还能用于极低速度，甚至零速。

3）适用温度范围广。气体黏度受温度影响很小，适用工作温度范围可达-265～1650℃。

4）承载能力低。由于动压轴承承载能力与黏度成正比，加之气体的可压缩性（单位投影面积上的载荷只能加到0.36MPa），气体动压轴承的承载能力只有相同尺寸液体动压轴承的千分之几。

5）加工精度要求高。为提高气体轴承的承载能力和气膜刚度，通常采用比液体润滑轴承小的轴承间隙（小于0.015mm），需要相应地提高零件精度。

3.国内外研发应用成果

随着气体轴承理论的完善和实用技术的发展，国内外气体轴承成果主要集中在以下4个方面：

1）新型气体轴承的开发，如多孔质气体轴承、表面节流轴承、气体浮环轴承及箔片轴承等产品研制及相应的理论分析与设计。

2）高速稳定性的机理分析和稳定界限的判定方法探讨。

3）计算机磁头气体润滑理论及在玻耳兹曼方程上形成的薄膜润滑理论研究。

4）气体润滑理论中的特殊问题探讨，如超声速流影响。

气体轴承主要应用于高速环境：

①支承10×104～20×104r/min高速、超高速传动主轴。

②转速为8×104～12×104r/min，工作温度为-200～120℃的低温透平膨胀机主轴支承。

③转速达50×104r/min的高速高档牙钻的支承。

④发动机用气体轴承。

气体轴承是飞机、人造卫星、宇宙飞船等空间飞行器发动机或透平原动机的理想支承。美国MT公司、Aireseacrh公司开发的透平压缩机和透平交流发电机均采用氮、氦混合气体润滑的气体轴承支承，飞机座舱空调用涡轮制冷机也采用气体轴承。

⑤高速离心分离机。近年来，化工、生物工程等需要的高性能离心分离机多采用气体轴承支承。

4.设计理论

对传统设计理论的假设需作深入的分析，精确求解气体轴承的全部雷诺方程均需要新的探索。在高速流情况下，气体介质的非连续性、气体等温流动、气体质性效应，以及在气膜厚度极小时的表面粗糙度及气体分子平均自由行程的影响因素、产生激波的可能性以及气体层流流动的假设等必须重新考虑。

5.传统润滑技术与数字技术的结合

通过计算机技术来解决轴承精准设计问题，如静特性、动特性、稳定性和结构优化问题等；通过中央控制系统，对轴承—转子系统实现全面实时监控，集成检测、预警及自我修复功能；通过数字网络技术实现轴承服役的智能化。

6.结构与性能优化

研发高精度、高性能新型结构的气体轴承，提高轴承的刚度及承载力，以适应高新技术和尖端技术发展的需要。在设计和工艺方面，致力于工作可靠性、制造工艺性、实用性等的研究，研制和开发结构简单、制造容易、使用可靠的普及型气体润滑轴承。

7.新材料、新技术的应用技术

如多孔质节流材料在静压气体轴承中应用、耐高温涂层材料在动压气体轴承中应用的研究。随着润滑技术向微观世界发展，“分子润滑”已经成为可能。随着单原子操纵技术的向前推进，纳米材料技术的广泛应用，新材料将为气体轴承的设计提供新的思路。

1.4.3 磁悬浮轴承

1.工作原理

磁悬浮轴承是利用磁力将被控对象稳定悬浮于给定的位置、实现无机械接触的一种高性能轴承。常用的主动磁悬浮轴承由传感器、被悬浮物体（转子）、控制器和执行器四大部分组成。其工作原理：通过位置传感器检测转子轴的偏差信号，控制器接收到信号后，计算输出控制信号，通过功率放大器控制电磁铁中的电流，调节电磁力的大小，从而将转子稳定悬浮于工作位置，如图1-3所示。

2.优点

与传统轴承相比，磁悬浮轴承具有以下几个主要优点：

1）无机械接触、无摩擦、无磨损、长寿命、免润滑、高效率及低噪声。

2）低功耗。特别是永磁与电磁混合型轴承的功率损耗仅为传统机械轴承的1/20～1/5，是空气静压轴承的1/10～1/5。

3）刚度和阻尼实时可控可调，可平稳跨临界，动态性能更好。

4）自动不平衡补偿，可使转子绕其惯性主轴回转，降低振动。

我国开始进行磁悬浮轴承技术研究已有30多年的时间，该技术至今已走向成熟。虽然我国已率先在世界上建成了磁悬浮列车并投入商业运营，但迄今为止，磁悬浮轴承的研发基本上局限在大学的实验室，未来，应该从大学逐渐向工业界发展。在不久的将来，磁悬浮轴承技术将广泛应用于我国的经济社会与民生工程。

磁悬浮轴承的应用可以显著提高机械装备的整体性能，甚至催生出全新的机械装备类型，从而推动整机技术的发展。目前的磁悬浮技术已经可以满足工业领域的实际应用。

3.应用领域

由于研发和制造成本相对较高，目前磁悬浮轴承主要应用在高性能要求、高附加值产品及环境特殊的领域。在新兴能源、节能减排和尖端武器装备等关系到国家安全的重大战略领域，磁悬浮轴承技术已成为主要装备的核心技术，发挥着重要作用；凭借其优异的性能，在传统工业及国计民生领域也有广阔的发展空间与推广价值。

（1）能源领域

1）天然气输送。天然气输送管线应用的大功率天然气压缩机以磁悬浮轴承替代传统的滚动轴承，可以提高压缩机的效能，显著延长维修周期。

2）低温热源发电。利用工业废弃的低温（80～200℃）余热发电，具有显著的社会经济效益。磁悬浮轴承技术是低温热源发电技术中的关键技术，可以有效降低发电机组的起动功率，减少机械磨损，提高机械能到电能的转换效率，延长维护周期。

3）核能、风能和电站蓄能。磁悬浮轴承技术在这些领域中也有广泛的应用。

（2）武器装备 采用磁悬浮轴承的潜艇制冷系统，噪声比常规的制冷系统低5～10dB，对提高战略核潜艇的隐蔽性具有重大意义。

用磁悬浮轴承取代传统滚动轴承设计的多电发动机（也称全电发动机）是航空发动机的未来发展方向。

磁悬浮轴承可以满足传统轴承无法满足的高性能飞轮储能装备的支承要求。磁悬浮轴承技术是航空母舰电磁弹射器的关键技术，电磁炮、激光武器的蓄能器等都需要应用磁悬浮轴承技术。

4.关键技术

磁悬浮轴承的原理并不复杂，但要按其原理设计和制造出具有实际应用价值的装备或产品，满足市场需求则需要解决一系列的技术难题。具有共性的关键技术如下：

（1）大型柔性转子的稳定性技术 重达若干吨、长达10m以上的大型转子高转速、大柔性的运转特性，需经受“一阶弯曲临界转速”的考验，磁悬浮轴承的刚度和阻尼特性都可以实时控制，理论上稳定性问题可得到有效解决。但柔性转子的多自由度超过径向磁轴承的自由度，问题就复杂了。清华大学等单位在较小尺寸的转子上实现了跨越前两阶弯曲临界，但对于大型转子需要进一步的实验研究，以突破大型转子的稳定性设计技术。

（2）极端特殊条件下磁悬浮轴承的应用技术 极端特殊条件指高温、核辐射、真空及腐蚀性液体等环境，磁悬浮轴承需要适应相应的环境参数，如550℃的高温、高真空度、透过0.5～1mm厚的不锈钢壁对转子位置进行检测并对转子进行悬浮等。满足这些极端特殊环境要求，需要在材料、结构、加工制造工艺和控制算法等方面采取一系列的专门措施和具有相应的实验条件以及多个学科的协同努力。

（3）失效预防与保护技术 磁悬浮轴承故障的主要形式是功率驱动等电子部件的故障与控制程序走飞，偶尔也有高速转子在巨大的离心力作用下产生机械故障。预防故障和减少故障损失需提高电子部件和控制程序的可靠性，同时配备保护轴承来争取排除故障或降低损失的时间。要设计出有效的保护轴承，需要研究高转速故障转子的运动行为和测试保护轴承性能。故障转子轴承系统是严重非线性系统，伴随很大的不确定性，需要系统研究，需要进行大量现场工作环境下的实验和测试，需要多部门、多学科的技术合作，建造不同结构和尺寸的实验平台，取得保护轴承的实验数据和设计方法。

（4）高综合性能软磁材料 软磁材料是磁悬浮轴承中的关键材料，主要参数包括磁性参数[饱和磁通密度、磁导率、矫顽力（磁滞损耗）、电阻率（涡流损耗）]和力学性能，磁悬浮轴承对力学性能的要求更高一些。目前磁悬浮轴承所用的材料主要是为开关频率较高的功率电子设备开发的，其力学性能或机械形态并不适合于磁悬浮轴承。需要根据磁悬浮轴承的要求，与软磁材料领域合作，改善已有材料的性能，开发新的高综合性能软磁材料。尤其是对于不能叠片的轴向磁轴承，需要开发具有较大电阻率、优越机械形态、良好综合性能的软磁材料。