Page 129 - 《振动工程学报》2026年第3期

第 3 期 彭森泉，等： 滚动轴承-气体箔片轴承混合支承结构转子动力学试验研究 729

越大，作为发动机转子系统的核心承力、传力部件， 和轴心轨迹，并针对试验结果展开分析。研究结果
单一类型的轴承往往难以满足未来发展需要。因 为深入研究滚动轴承⁃气体箔片轴承混合支承结构
此，开展滚动轴承⁃气体轴承混合支承转子系统的研 提供了相应的试验依据，为航空发动机轴承高速化、
究为航空发动机轴承高速化、润滑系统轻质化以及 润滑系统轻质化以及低成本化提供了方案参考。
低成本化提供了技术支撑，对航空发动机转子动力
系统优化设计和故障分析具有十分重要的意义。 1 试验方案
多年来，许多学者试图以混合轴承结构设计方
式来改善轴承的性能，达到提升转子系统运行稳定 1. 1 结构设计
性的目的，并已经取得了相应的成果。吴华春等 ［1］
滚动轴承⁃气体箔片轴承混合支承结构主要包
针对磁悬浮轴承承载能力受限和箔片轴承在高速
括转子、深沟球轴承和气体箔片轴承三部分。轴承
下具有高精度等特点，开展了磁气混合轴承研究，
的结构和实物图如图 1 所示，其中气体箔片轴承由
结果显示表面箔片轴承可分担磁悬浮轴承的载荷，
有效降低电流。万少可等 ［2］ 研究了电磁轴承与角 顶箔片、波箔片和轴承套组成。滚动轴承和气体轴
接 触 球 轴 承 混 合 支 承 的 主 动 式 主 轴 系 统 ，结 果 表 承的设计参数见表 1 和 2。
明，该混合支承转子系统可以有效地抑制颤振和状 本研究暂不考虑外载荷，转子自重为混合支承
态自我感知。目前国内对于滚动轴承的研究与应 结 构 径 向 载 荷 ，转 子 为 非 对 称 转 子 ，总 质 量 为
用相对普遍 ［3⁃5］ ，但其发展的根本瓶颈在于：薄弱的 3.5 kg。在负载一定的情况下，虽然减小转子与气
研发能力，根源于轴承钢基础研究与应用的缺失， 体箔片轴承顶箔之间的间隙有利于降低转子起飞转
以及落后的轴承工艺装备水平。而国外已经形成 速，但为防止高速下的热膨胀与离心力导致轴颈抱
将弹性箔片气体轴承应用至航空发动机的发展趋 死，间隙又不宜过小。在该结构中，设置转子与顶箔
［6］
势 ，但高温高速的应用环境对箔片轴承提出了较
高的要求。在不同加载和转速工况下，气箔轴承的
温 度 场 ［7⁃8］ 和 气 膜 厚 度 ［9⁃10］ 会 受 到 影 响 ，同 时 ，气 膜
厚度的变化也将导致转子系统出现低频涡动等不
稳定现象 ［11⁃14］ 。XU 等 ［5］ 研究发现深沟球轴承的滚
道不对中会增强轴承刚度的径向和轴向耦合特性，

从而加剧系统的轴向振动。李立波等 ［4］ 研究指出
轴承接触刚度异常会导致转子振动幅值增大。徐
方程等 ［15］ 研究发现，在不平衡气流的作用下，气箔
轴承转子升速时的起飞转速会高于降速时的起飞
转 速 。 SIM 等 ［9］ 对 比 研 究 了 不 同 结 构 箔 片 轴 承 的
性能，并给出了结构参数对振动间隙厚度变化的影
响 。 ZHANG 等 ［16］ 开 发 了 具 有 高 结 构 刚 度 和 黏 性
阻尼的一型混合气体动力轴承（HGDB），以提高轴
承性能。张璐瑶等 ［17］ 研究了不同升速和降速对气
体箔片轴承低频振动的影响。宁培栋等 ［18］ 研究了
波箔型气箔轴承的寿命计算方法，揭示了其寿命主
要由波箔决定。针对转子轴心轨迹的研究 ［19⁃21］ ，目 图 1 气体箔片轴承和深沟球轴承
Fig. 1 Gas foil bearing and deep groove ball bearing
前普遍认为椭圆形是转子自身质量不平衡所引起
的同频涡动所致，香蕉形是转子在不对中和不平衡
表 1 深沟球轴承结构参数
的共同作用下所致，外“8”字是转子不对中所致，内 Tab. 1 Structural parameters of deep groove ball bearing
“8”字为油膜涡动或气膜涡动所致。 参数 值 参数 值
本文设计了一种滚动轴承⁃气体箔片轴承混合 轴承内径/ mm 45 极限转速/(r·min ) 30000
-1
支承转子结构，通过搭建振动试验平台并开展空载 轴承外径/ mm 75 极限温度/℃ 260
试验，获取了该转子系统在运行过程中的振动信号 轴承宽度/ mm 16 环境压力 p a /Pa 1.01325×10 5