El desarrollo de los rodamientos de láminas de gasLos rodamientos de láminas de gas están lubricados por gas y son cojinetes deslizantes. Los rodamientos de lámina de gas tienen las ventajas de alta velocidad, sin equipo auxiliar, resistencia a altas temperaturas, estructura simple, alta confiabilidad y sin mantenimiento, y se seleccionan para maquinaria rotativa de alta velocidad y baja potencia. Se ha utilizado ampliamente en maquinaria rotativa de alta velocidad sin aceite, como máquinas de ciclo de aire (ACM), compresores de aire de celda de combustible, sopladores, microturbinas de gas y generadores de turbinas. 1. Principio del rodamiento de lámina de gas El rodamiento de lámina de gas común se muestra en la Figura 1 y se compone principalmente de un manguito de rodamiento, lámina corrugada y lámina superior. El principio se muestra en la Figura 2. Debido a la excentricidad entre el eje giratorio y el rodamiento, existe un espacio en forma de cuña entre el eje giratorio y la superficie de la lámina superior del rodamiento. Durante la rotación del eje giratorio, la superficie del eje giratorio impulsa continuamente el gas del entorno circundante hacia la ranura en forma de cuña, formando así una película de gas dinámica con una cierta presión en la ranura en forma de cuña. Cuando la presión de la película de aire es lo suficientemente grande como para soportar la carga, el eje giratorio quedará suspendido y la fricción desaparecerá. Imagen 1 Imagen 2 2. Desarrollo de los rodamientos de láminas de gas El origen de los rodamientos de láminas de gas se remonta al año 1906, en Sundberg. La investigación teórica sobre los rodamientos de láminas comenzó en 1953. Blok y Van Rossum [4] publicaron un artículo sobre cojinetes de láminas lubricados con aceite y fueron los primeros en proponer el término "cojinetes de láminas". Posteriormente, Patel, Cameron [5] y Ma [6] publicaron artículos y realizaron investigaciones teóricas preliminares sobre cojinetes de láminas de gas. Licht [7-9] realizó una gran cantidad de estudios experimentales sobre cojinetes de láminas de gas entre 1966 y 1969. Garrett Elcecil hizo importantes contribuciones a la investigación de los cojinetes de láminas de gas. En la década de 1960, se estableció un banco de pruebas de cojinetes de láminas de gas y se produjo un prototipo de maquinaria rotativa soportada por cojinetes de gas. En 1969 se utilizaron por primera vez cojinetes de láminas de gas en máquinas de circulación de aire. A medida que el entorno de aplicación de los rodamientos de láminas de gas se vuelve cada vez más complejo y duro, su estructura de soporte elástica también se desarrolla constantemente. La historia del desarrollo y las formas principales de la estructura de soporte radial de lámina de gas son las siguientes: (1) Rodamiento de lámina de gas de tipo tensión A.A. Pollock propuso el tipo de rodamiento de tensión a fines de la década de 1920, y luego Jones et al. Figura 3 [11] Los componentes principales del rodamiento son el pasador tensor, el pasador guía, la lámina, el manguito del rodamiento y el perno de ajuste. La lámina se tensa mediante pasadores guía y pasadores tensores. Cuando el eje giratorio gira, se producirá un efecto de presión dinámica entre el eje giratorio y la lámina debido a la excentricidad, lo que hará que el eje giratorio flote. En aquella época, este tipo de rodamiento se utilizaba mucho en las grabadoras. Sin embargo, la lámina de un rodamiento radial estirado permanece en un estado estirado durante mucho tiempo y la lámina es propensa a fallar por fatiga, lo que resulta en una vida útil corta del rodamiento, una capacidad de carga insatisfactoria y una alta dificultad de fabricación. Posteriormente fue sustituido paulatinamente por otros tipos de rodamientos de láminas [12]. Foto Figura 3 Diagrama esquemático de un rodamiento radial de tracción [11] (2) Rodamiento de lámina plana de gas 1987 Este rodamiento de lámina fue propuesto por la Universidad Osaka Sangyo. Los rodamientos radiales de lámina plana tienen múltiples capas de lámina plana en el manguito del rodamiento y una superficie de apoyo interior cerrada [13]. Se colocan muchos cables de cobre entre láminas planas para proporcionar rigidez de soporte a los rodamientos. Los resultados experimentales muestran que el sistema de rotor soportado por este rodamiento puede funcionar de manera estable a 89000 r/min [14]. (3) Cojinetes de láminas de gas de múltiples hojas Con el apoyo de la NASA, se desarrollaron cojinetes de múltiples hojas, como se muestra en la Figura 4. Los rodamientos de varias láminas tienen muchas láminas en forma de láminas, un extremo de las cuales está fijado al casquillo del cojinete y el otro extremo cuelga de la lámina adyacente. Cuando el eje giratorio gira, debido al efecto de presión dinámica generado por la presencia de la cuña, la lámina aerodinámica se expandirá radialmente bajo la acción de la presión del aire, formando así una película de aire estable entre la superficie interior del rodamiento y el eje giratorio. [15]. Figura 4 Rodamiento de láminas de gas de múltiples hojas (4) Rodamiento de láminas de gas corrugadas Este tipo de rodamiento de láminas de gas es actualmente el rodamiento más investigado y utilizado con mayor éxito. Los rodamientos radiales de lámina corrugada se dividen principalmente en tres partes: manguito de rodamiento, lámina corrugada y lámina superior. La lámina superior y la lámina corrugada proporcionan rigidez y amortiguación. Este tipo de rodamiento tiene las ventajas de una tecnología de procesamiento simple, una larga vida útil, buena estabilidad y una gran capacidad de carga. Se usa ampliamente en maquinaria giratoria moderna de alta velocidad y carga ligera. Según la distribución de rigidez de la lámina corrugada del soporte, se puede dividir en tres generaciones [16-18]. En la década de 1960, Estados Unidos desarrolló la primera etapa del rodamiento de láminas de gas corrugadas [3]. La lámina superior de este soporte de lámina de gas de lámina corrugada es una lámina completa y hay muchas corrugaciones circulares en la lámina corrugada para proporcionar soporte elástico para el rodamiento, como se muestra en la Figura 5. Gray et al. [19] optimizaron el rodamiento de lámina de gas radial de lámina corrugada de primera etapa y propusieron un rodamiento radial de lámina de segunda etapa en 1981. La lámina corrugada de esta generación de rodamientos consta de tres tiras de lámina corrugada a lo largo de la dirección axial, como se muestra en la Figura 6. Al cambiar la estructura de estas tres láminas, la rigidez de diferentes partes del rodamiento es diferente, por lo que la distribución de la película de aire del rodamiento es más razonable. Sobre esta base, Heshmat [20] propuso la tercera generación de rodamientos radiales de lámina corrugada. Las láminas de este rodamiento de lámina corrugada cambian en todas las direcciones, como se muestra en la Figura 7. El rodamiento radial de lámina corrugada de tercera etapa se compone de varias tiras de lámina corrugada en dirección axial y axial. La distribución de la rigidez del rodamiento es más razonable, lo que mejora significativamente el rendimiento del rodamiento [21]. Imagen Figura 5 Diagrama esquemático del rodamiento radial de lámina corrugada de primera generación Imagen Figura 6 Diagrama esquemático del rodamiento radial de lámina corrugada de segunda generación Imagen Figura 7 Diagrama esquemático del rodamiento radial de lámina corrugada de tercera generación (5) Rodamiento de lámina de gas de malla de alambre Lee [ 22 ] A principios del siglo XXI, se reveló un cojinete de gas que utilizaba una malla de alambre en lugar de una lámina corrugada, como se muestra en la Figura 8.

Este rodamiento de láminas tiene una malla de alambre anular entre la lámina superior y el manguito del rodamiento, lo que le da rigidez y amortiguación al rodamiento. SanAndres y Chirathadam [23] optimizaron este tipo de rodamiento, y experimentos posteriores demostraron que el rodamiento de lámina de gas de malla de alambre tiene buena amortiguación, puede absorber la energía de vibración del sistema del rotor del rodamiento y mejora significativamente la estabilidad del sistema [24-26 ] . Foto Figura 8 Rodamiento de lámina de gas radial de malla de alambre (6) Rodamiento de lámina de gas de burbujas El rodamiento de burbujas tiene menos piezas y su estructura de soporte elástica es una lámina con protuberancias de burbujas, como se muestra en la Figura 9. Kaneko [27] realizó algunos estudios experimentales sobre cojinetes de burbujas. Feng y Kaneko et al. [28-29] realizaron un análisis estático y dinámico sistemático de este rodamiento estableciendo un modelo de simulación. Figura 9 Rodamiento de lámina de gas con burbujas (7) Rodamiento de lámina de gas para resorte Ju-hoSong [30] propuso un rodamiento de lámina con un resorte helicoidal como estructura de soporte flexible en 2006. La rigidez estructural del rodamiento se puede cambiar fácilmente cambiando el diámetro del alambre del resorte, el paso y el número de distribuciones circunferenciales. Jinhu [31] aumentó el número de resortes circunferenciales de rodamiento incrustándolos entre sí. Los resultados experimentales y teóricos demuestran que los cojinetes de láminas elásticas integrados tienen buenas características de rigidez estructural y amortiguación. Figura 10 Rodamiento de lámina de gas tipo resorte (8) Rodamiento de lámina de gas en voladizo múltiple Feng y Zhao et al [32] propusieron un rodamiento de lámina de gas en voladizo múltiple en 2014, y su estructura se muestra en la Figura 11. Mediante análisis estático y dinámico, se concluye que el área de deformación de la lámina corrugada tiene una rigidez pequeña durante la etapa inicial, lo que reduce el momento de fricción inicial del rodamiento; sin embargo, bajo carga pesada, el área de deformación del rodamiento; La lámina es dura, lo que aumenta la capacidad de carga. Figura 11 Diagrama esquemático de un rodamiento de láminas de gas radiales en voladizo múltiple El rodamiento de láminas de gas en voladizo propuesto por Bosley [33] en 1995 ha sido ampliamente utilizado en equipos de microturbinas de gas por Capstone Company. En 2017, Hu Xiaoqiang et al. [34] estudiaron las características estáticas y dinámicas del soporte de lámina voladiza del ápice, como se muestra en la Figura 12, que muestra que el soporte tiene buenas características de rigidez y amortiguación. Foto 12 Cojinete de lámina voladiza III. La tecnología de soporte de lámina de gas construye una estructura fluida elástica compresible y un modelo de acoplamiento térmico sólido-fluido de dimensiones completas, revela el mecanismo de lubricación mixta de dos fases humedad-líquido del soporte de presión dinámica de lámina bajo condiciones de deformación de la estructura elástica y propone un host de acoplamiento que varía en el tiempo El rendimiento y el estado del sistema de rotor y cojinete de presión dinámica de lámina se combinan dinámicamente, formando así un cojinete de presión dinámica de lámina y su tecnología de combinación de rotor bajo una compleja lubricación con fluido de trabajo multifásico. Consulte el diagrama esquemático a continuación para obtener más detalles: Imagen 13 Imagen 14 Imagen 15 (1) Cálculo y análisis de la dinámica del rotor del sistema de rotor de alta velocidad y cojinete flotante de gas. Los cojinetes de lámina de gas son cojinetes de presión dinámica y su rigidez y distribución de amortiguación desempeñan un papel vital en el rendimiento del sistema de rotor del cojinete. Optimizar la estructura de soporte del rodamiento de láminas para proporcionar al rodamiento la rigidez y distribución de amortiguación adecuadas, establecer un modelo teórico dinámico del rodamiento de láminas con rodamiento de aire y calcular la rigidez dinámica y las características de amortiguación del rodamiento son la base para el análisis de las características dinámicas rodamiento-rotor. Los rodamientos con diferentes características de rigidez y amortiguación son adecuados para diferentes sistemas rodamiento-rotor. Combinado con las características estructurales de cada serie de productos, se utiliza el método de la matriz de transferencia y el método de elementos finitos para establecer un modelo dinámico del rodamiento-rotor, y se realiza el siguiente análisis: Velocidad crítica del rotor: Un rotor con excéntrica La masa producirá vibraciones severas cuando se ejecute a la velocidad crítica. Generalmente, cuando la velocidad del grupo electrógeno aumenta a un cierto valor durante el arranque y la aceleración, hará que el grupo electrógeno produzca fuertes vibraciones, lo que se llama velocidad crítica, que es la frecuencia de vibración natural del rotor y su sistema de soporte. y la frecuencia de excitación de la velocidad en este momento. Para garantizar un funcionamiento estable y seguro del rotor, la velocidad crítica del rotor debe estar entre un 15% y un 20% de la velocidad de funcionamiento. Respuesta desequilibrada: El análisis de la respuesta desequilibrada en estado estacionario también se puede utilizar para determinar la velocidad crítica del sistema, pero su tarea más importante es resolver la respuesta desequilibrada en estado estacionario del sistema de soporte del rotor cuando puede haber un desequilibrio en el sistema rotor. Cómo analizar y estudiar Tomar medidas para limitar la respuesta desequilibrada máxima y reducir la respuesta desequilibrada. Respuesta transitoria: el análisis de la respuesta transitoria se refiere principalmente al cambio repentino del desequilibrio del sistema del rotor, el cambio repentino de la carga externa que actúa sobre el sistema del rotor o el análisis de la respuesta del sistema del rotor cuando el sistema del rotor está funcionando a velocidad variable. , incluido el desplazamiento y la deformación del sistema del rotor y las cargas transmitidas a las estructuras de soporte. La aceleración inicial es el proceso transitorio más común. Análisis modal: calcule los modos de precesión directa e inversa del sistema de rotor a diferentes velocidades críticas y evalúe la disipación logarítmica del rotor bajo diferentes modos de precesión directa e inversa y diferentes rigideces cruzadas aerodinámicas para garantizar la estabilidad del funcionamiento del sistema. Análisis de estabilidad: Dibujar diagramas de velocidades críticas, diagramas de Campbell, etc. , e introdujo el efecto giroscópico del sistema de rotor y la influencia de la rigidez transversal aerodinámica de la maquinaria del impulsor, y realizó un análisis de estabilidad basado en los requisitos API para determinar la estabilidad operativa del sistema de rotor-cojinete de aire. (2) Tecnología de control de la durabilidad operativa y la vida útil de los cojinetes de presión de flotación de aire La durabilidad y la vida útil de los cojinetes de lámina de presión de flotación de aire determinan si el cojinete se puede utilizar de manera estable en equipos giratorios de alta velocidad. El diseño de la estructura del cojinete y la tecnología de fabricación son medios clave. . A través de una serie de optimizaciones del diseño estructural de los rodamientos, se garantiza la adaptación efectiva del sistema de rodamientos del rotor bajo equilibrio térmico y se logra la consistencia y repetibilidad del funcionamiento después de desmontajes repetidos del sistema de rotor de la máquina. A través de mejoras en el proceso de fabricación, incluida la selección del material de los rodamientos y el tratamiento térmico, el estampado de láminas, el corte por láser de láminas, la resistencia al desgaste de la superficie y la optimización de los recubrimientos lubricantes, se garantiza la consistencia y repetibilidad de la rigidez y la amortiguación de los rodamientos, mejorando el rendimiento de los rodamientos de gas. de durabilidad y longevidad.