説説高端滑動軸承——從氣體潤滑到特種工質潤滑_風聞

滑動軸承的概念，可以追溯到春秋戰國時期，歷史資料記載，孔子在周遊列國的路上讓弟子們在所乘馬車的輪軸上塗油以減小行進阻力。雖然當時並沒有機械設計、機械製造、流體潤滑等科學技術，但智慧的勞動人民通過觀察發現潤滑能夠起到減磨減阻作用。

經過了幾千年的發展，滑動軸承具備了承載範圍廣、工作平穩、低噪聲、工作壽命長等優點，已經成為各類旋轉機械產品的重要部件，常被用於能源發電、艦船動力、航空航天、機械製造、石油化工等領域。

滑動軸承工作時，最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子的作用，調節油膜壓力可實現承載範圍的變化；另一方面具有粘性阻尼效應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；按照軸瓦結構可分為圓軸承、橢圓軸承、多油葉/楔軸承、可傾瓦軸承和箔片軸承等。可根據不同的應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，氣體軸承由於其潤滑介質為氣體（如空氣、氮氣等），使其具有更低的摩擦功耗、無污染、迴轉精度高等優點，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域具有絕對的優勢，被廣泛應用於精密儀器、醫療器械、高速微型動力等領域。

我們今天就來給大家詳細介紹氣體滑動軸承。

氣體軸承根據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。

氣體靜壓軸承是採用由外部氣源或設備供給的氣體（多為空氣）作為潤滑介質，經過節流器進入潤滑間隙，形成氣膜壓力，以支承負載。氣體靜壓軸承按照其節流機制不同可分為小孔節流軸承、狹縫式節流軸承、多孔質和表面節流軸承等。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子軸頸和軸瓦兩個相對運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生壓力場，從而支承轉子的高速旋轉。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。氣體動壓軸承的優點是無需外帶壓力氣源。

氣體動靜壓混合軸承在結構與性能上結合了靜壓軸承與動壓軸承的優點。

圖2 常見的氣體軸承

我國氣體軸承最早應用於空分機械、電主軸、陀螺儀、透平風機等機械設備，在70年代曾經歷過一次空氣軸承研究和應用的高潮，但由於技術水平受限，前沿技術未完全掌握，其軸承的可靠性差、製造成本高、壽命短，制約了氣體軸承技術的發展。隨着中國經濟的快速持續發展與國家宏觀政策的支持，尤其是對高端製造業中關鍵核心部件的研發投入，以及節能降碳背景下新興產業（燃料電池空壓機、空氣懸浮鼓風機等）的崛起，再加上近幾十年優秀回國人員的人才政策導向，使得中國的高端氣體軸承進入快速發展時期。

中國科學院工程熱物理研究所的研究團隊，以小孔節流的靜壓氣體軸承與螺旋槽動壓氣體軸承為對象，開展了氣體軸承設計與優化研究、氣體軸承-轉子系統動力學性能研究，以及氣體軸承在高速動力裝備中的應用研究。近幾年，圍繞以動力循環工質流體作為軸承潤滑介質的非典型滑動軸承，尤其是超臨界二氧化碳工質潤滑的軸承，團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具有循環效率高、設備體積小、重量輕等優點，可廣泛應用於太陽能、核能、化石能等多個能源領域，被認為是當前最具有發展前景的能量轉換系統之一。美國一位工程師曾提出一項類似的概念設計，擬採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的中跨軸承。使用超臨界二氧化碳作為潤滑工質的軸承既能避免閉式循環工質被污染，簡化密封結構，降低渦輪機軸系設計難度，同時，超臨界二氧化碳潤滑軸承的功率損耗比相同結構的油軸承低一個數量級，這也對提高布雷頓循環的整體效率有幫助。

團隊研究人員基於超臨界二氧化碳作為軸承潤滑工質的特點，發展了一種完整變量擾動的偏導數法，引入真實氣體效應、熱物性變化和湍流效應，揭示了熱效應對超臨界二氧化碳軸承特性的影響機制。

軸承作為動力設備的核心部件之一，其性能的優劣制約着裝備的動力學、可靠性與壽命。發展高端軸承，除了加強高校、科研院所的科技投入以外，發揮企業的自主能動性是關鍵，尤其在軸承的材料與工藝的創新、關鍵技術的攻關與驗證、市場的資源配置等方面需要大量的投入；同時應構建政產研學用的高端軸承研發體系，引領中國高端軸承的快速發展，以實現高端軸承國產化。

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來源：中國科學院工程熱物理研究所