62FLUIDMACHINERYV01.39,No.11,2011文章编号:1005—0329(2011)一0062一05自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的探讨王建中。陈曦,张华(上海理工大学,上海200093)摘要:现代长寿命特林制冷机几乎都采用间隙密封、直线电机驱动和柔性板弹簧支撑技术,特别是还采用静压气体轴承以弥补柔性板弹簧刚度不足的缺点,消除摩擦,提高其寿命。本文分析了长寿命自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的结构和性能影响因素以及其对制冷机性能的影响,为以后的研究提供帮助。最后,提出了以后的研究方向和重点。关键字:静压气体轴承;刚度;长寿命;斯特林制冷机中图分类号:TB6文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1005—0329.2011.11.013StudyonAerostaticBearingofFreePistonStirlingCoolerWANGJian—zhong,CHENXi,ZHANGHua(UniversityofShanghaiforScience&Technology,Shanghai200093,China)Abstract:torsInordertoeliminatefriction,improvecooler’slife,modemlonglifeStiflingcoolersaerostaticuseclearanceseals,linearme-andflexurebearing.Especially,someemployonbearingstooffsetthelowstiffnessofflexurebearings.ThestructureindetailinlonglifeFPSCs.andeffectonandtheinfluencingfactorscooler’StureareaHemstaticbearingsperformancea地analyzedStiflingperformancepointedout.WaSalsodiscussed,whichprovidehelpsforthelaterreseareh.Atlast,theresearchdirectionandkeyoffu・Keywords:aerostatiebeating;stiffness;longlife;stiflingcooler1引言间摩擦的技术与线性电机驱动、柔性板弹簧支撑和间隙密封等技术已经被应用于长寿命斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机中。它在活塞与气缸之间形成压力气膜,支撑荷载,减少其间的接触摩擦,以使制冷机满足长寿命的要求,并提高制冷机性能。但同时也带来了相应的问题,如:使制冷机变得复杂、活塞偏移加剧等问题【l“J。自由活塞斯特林制冷机具有结构紧凑、效率高、质量轻、体积小等优点,已经广泛应用于航空航天、红外探测、低温医学以及国防军事中。星载长寿命斯特林制冷机的MTBF可达40000h左右,但寿命仍是制约其使用的一大瓶颈,其中,影响其寿命和性能的重要因素就是运动部件造成的摩擦和磨损及产生的磨屑带来的工质污染和气路堵塞¨’21。因此,减少运动部件的摩擦是提高自2静压气体轴承结构特点及优化2.1静压气体轴承的分类由活塞斯特林制冷机寿命的重要途径。静压气体轴承作为一种可以减少运动部件之收稿日期:201l—05—30修稿日期:2011一lO—17静压气体轴承按照节流形式的不同可以分基金项目:国家自然科学基金资助项目(50906054);上海市教育委员会科研创新项目资助(10YZ96);教育部博士点基金资助(20093120120006)万方数据2011年第39卷第11期流体机械63为:小孔节流、自成节流、狭缝节流、多孑L质节流等度高的优点,约比后者高30%;与狭缝节流相比节流形式,其结构如图1所示。其中前3种节流具有结构简单、加工方便的优点,因此,斯特林制形式研究较多,设计方法相对比较成熟,使用领域冷机、斯特林型脉管制冷机和热声制冷机等通常也较广泛。由于小孔节流相对于自成节流具有刚狴物缆罱继使用小孔节流静压气体轴承‘5・引。≤≤≤添≤≤≤添蔓主豺≤≤≤添2.2静压气体轴承的引入度、低功耗等优点。现代长寿命斯特林制冷机为了消除压缩活塞排出器和排出器与气缸问的摩擦、提高制冷机的寿命几乎都采用柔性板弹簧支撑压缩活塞和排出器技术。这样,活塞和排出器只能在气缸内做往复运动,而不能旋转。根据斯特林制冷机内运动部件只有往复运动而无旋转运动的运动特性,动压气体轴承已不再适用,而静压气体轴承能很好地应用到其中。承l由于板弹簧支撑位于压缩活塞和排出器的一端,特别是排出器,距柔性板弹簧的支撑点更远,容易造成排出器与气缸壁接触,受侧向力等其它因素的影响会更大。因此,消除电机磁侧向力、制图2静压气体轴承的位置冷机倾斜时活塞的重力及震动产生的径向摆动等2.3制冷机中静压气体轴承的结构特点不稳定因素的影响,保证制冷机长期无磨损运行,在自由活塞斯特林制冷机中,静压气体轴承采用静压气体轴承是很有必要的12,3J。不用考虑外界气源的问题,直接从压缩腔引气到由文献[2,3,7,8]知:自由活塞斯特林制冷气体轴承贮气腔,然后经节流器节流降压后进入机中主要有两处使用了静压气体轴承,分别是压轴承润滑间隙形成承载气膜。但是,由于压缩腔缩活塞和气缸问的静压气体轴承1,排出器杆与内气体的压力是周期性变化的,这样会导致贮气压缩活塞问的静压气体轴承2,如图2所示。由腔的连续充放气,造成静压气体轴承的供气压力于静压气体轴承需要高压气源,若将压缩腔内的变化,工作不稳定。为了防止压缩腔内压力降低温度和压力较高气体的引入气体轴承3处,会引时进入贮气腔的高压气体倒流回压缩腔,可以在起大量的冷量损失,故静压气体轴承3一般不使贮气腔入口处安装止回阀,如图3所示。用。静压气体轴承作为一种良好的支撑技术,具气缸气腔供气孑L贮气腔压缩活塞有较高的刚度和承载能力。理论研究表明:其刚度可以达到1780N/mm,大约是一般柔性板弹簧止同阀径向刚度300N/ram的6倍,足以消除压缩活塞和排出器与气缸间的接触口o。另外,与液体润滑轴压缩腔承相比,静压气体轴承不需要润滑油,仅靠压力气体在被支撑部件接触面间微小的间隙内形成支撑气膜,以抵消侧向力。具有无污染、高刚度、高精图3带止回阀的静压气体轴承万方数据FLUIDMACHINERYV01.39,No.11,2011当止回阀两端的压差高于开启压力时,阀门打开进行充气;否则,阀门关闭,防止流入贮气腔内氦气流出压力降低。这就维持贮气腔内气体较高的压力,保证了气源的稳定性,改善轴承承载能力。在整个循环过程中,氦气流从贮气腔经节流器节流后流人轴承润滑间隙,最后扩散进入背压腔,这3处的压力变化如图4所示。R出活塞位置(口)图4制冷机中各腔体内压力的变化从图4可以看到,压缩腔、贮气腔和背压腔内初始压力都相同为制冷机的充气压力,压缩腔和背压腔内的压力都按正余弦规律变化。开启制冷机,在很短的时间内,贮气腔中的压力即可达到稳定水平,气体轴承就能很好地工作。理论研究表明:贮气腔内压力的大小是贮气腔的容积和流过节流器气体流量的函数,若能合理地设计贮气腔和节流器的结构和参数,气体轴承就能在恒定的压差下运行,尽管压缩腔内的压力是不断变化的口’3]。对于常用的小孔节流形静压气体轴承的节流器,在设计时应满足:d2>嘉H>鲁w1一h>—_一4式中d,——供气孔直径d:——节流孔气腔的直径^——无偏心时的平均气膜厚度卜气腔深度同时,为了保证轴承的静态稳定特性,即不出现气锤现象,节流孔气腔的总容积屹与轴承润滑间隙内气膜体积U之间应满足[7]:y罟<(5一15)%vf2.4制冷机中静压气体轴承的结构优化近年来为提高静压气体轴承的刚度和承载能力,国内外许多研究人员从其节流形式、贮气腔的位置和开设方法等多方面进行研究,部分结构如万方数据下所示。为此,应该积极借鉴其理论和实际经验应用到斯特林制冷机的气体轴承研究中。图3示出的静压气体轴承的贮气腔开设在活塞内部,许多文献中也有关于把贮气腔开设气缸壁内的介绍,但在总体结构上没有太大的变化,其结构如图5所示哺'9J。止回压缩◆~卞弱一∥图5贮气腔位于气缸壁内的气体轴承文献[7]介绍了一种关于用于自由活塞制冷机中的静压气体轴承的结构形式:图6所示的气体轴承的贮气腔是通过活塞的过盈配合形成的,并在活塞轴上开设周向计量槽起到节流和控制轴承气体流量的作用pJ。重要的是该结构中有两处静压气体轴承,它们为制冷机的无摩擦运行提供了重要保证。lV/7V//一,}∥,j/,’峄i7,17:杉:,jji,爿排6…////“///j/f/j\7冬一?氖镰{÷H能钧/l}t㈣IIfitll㈠jt~j/i|ttll㈠:浏州出器杆乜∽锻f\0雌}U氆謦惑㈡滁=二一一:F/7/7/////17//7///';////,;,;"I。肜㈧㈠㈧㈧}㈨㈣|t‘群1贮!}气腔图6带周向计量槽的静压气体轴承文献[10]介绍了一种带蚀刻环状浅腔的静压气体轴承,如图7所示。图7带蚀刻环状浅腔的静压气体轴承2011年第39卷第11期流体机械65其进气口处安装有止回阀,以保证气体轴承稳定的供气压力。气体经节流浅槽节流后进入环状浅腔形成压力气膜,在活塞受到径向作用力时发生偏移,环状浅腔内压力发生变化,进而形成承载能力。最后,气体从出气通道流出。而且,活塞轴颈可以和气缸形成间隙密封,防止高压气体向低压部分泄漏u…。国内外关于排出器处静压气体轴承的设计是少之又少,其原因在于:考虑到自由活塞斯特林制冷机压缩腔内的气体温度较高,如果将其引入到排出器与气缸之间的间隙中,这就加快了高温氦气进入膨胀腔的速率,并增加了排出器的导热损失,使制冷机的制冷量迅速较小;若将膨胀腔内压力相对较高的低温气体引入贮气腔,低温气体会通过节流器快速地泄漏到压缩腔,这也势必会造成大量的冷量损失,严重降低制冷机的制冷量。故如何将静压气体轴承良好地应用到排出器处也是以后重点研究的方向之一。3气体轴承的性能影响因素分析承载能力、气膜刚度和耗气量是衡量静压气体轴承的主要指标,它们主要受轴承节流形式和供气压力等因素的影响。不同的节流形式受扩散效应、绕流作用和气锤现象的影响程度又各不相同,进而造成气膜刚度和轴承承载能力的差异。气膜刚度和轴承承载能力越大,压缩活塞和排出器因接触磨损而造成的影响就越小,寿命也就越长;耗气量越小轴承的效率越高。故在选取静压气体轴承的节流形式和供气压力等参数时,应综合各种因素,以获得最佳的气膜刚度和轴承承载能力[5-7,11]。3.1扩散效应扩散效应是指气体经节流器节流后,在节流器出口周围的发散流出、散开的现象。在长径比小于1的短轴承和每排节流孔数n<6的轴承中,扩散效应损失严重。在短轴承中,由于节流器出口距轴承两端气膜出口较近,使得气膜在压缩活塞或排出器的端部排出时还没有完全散开充满整个轴承的润滑间隙,造成轴承承载能力降低。一般来说:小孔节流和自成节流形式的静压气体轴承受扩散效应的影响较大,多孔质节流和狭缝节流(间隔式周向狭缝)受之影响较小或不受影响(连续式周向狭缝)。在理论分析和工程万方数据中,我们通常将它等效于狭缝以便于分析、计算。每排节流孑L的数鼙越多,轴承间隙内压力分布也越均匀,轴承的刚度和承载能力也就越大,线性气源假设越合理;当每排节流孔数较少时,节流孔的扩散流动效应已十分明显∞’7|。3.2绕流现象绕流是指活塞受侧向力偏移后,轴承润滑间隙内的气膜压力分布发生变化,使气膜沿轴承的圆周方向由高压区向低压区流动的现象。静压气体轴承中的“绕流”程度决定于轴承的长径比和每排节流孔在轴承上的位置。静压气体轴承的承载能力的来源是轴承间隙内高低压部分气膜的压力差,绕流使轴承高低压区内气膜的压差减小,造成轴承的承载能力降低。一般认为:绕轴布置的周向连续式狭缝受之影响较大些,其他节流形式的气体轴承受之影响较小一’6川。3.3气锤现象气锤是指小孔节流静压气体球轴承的气腔相当于多余的气容,当系统内部出现某种干扰源,其频率与轴承系统的固有频率相接近时,轴承发出噪声,并产生剧烈振动的现象。使活塞和排出器与气缸产生碰撞,并产生严重摩擦的现象。故在使用小孔节流静压气体轴承时应合理设计气腔,避免气锤现象的发生"’12’13j。3.4供气压力由于静压气体轴承的刚度和承载能力与轴承表面之间的相对运动无关,我们可以将对旋转轴静压气体轴承的一些研究结果直接应用到自由活塞斯特林制冷机的静压气体轴承的研究中去。文献[7,14一18]试验研究都表明:轴承的承载能力、气膜刚度和耗气量主要受供气压力(指节流器出口气体压力与轴承端部出口气体压力之差)的影响。适当调整供气压力,并使其在制冷机运行过程中保持稳定是改善气体轴承承载能力的重要途径;静压气体轴承的供气压力越高、轴承刚度和承载能力越大,但轴承的耗气量会增加,造成轴承的效率降低,制冷机的制冷量减小。为提高静压气体轴承的承载力,可适当提高供气压力,但供气压力越大,气锤失稳区越大。否则,轴承工作时会发生气锤,造成活塞震动,产生摩擦,降低制冷机的寿命¨引。文献[15]试验研究还表明:当供气压力增大时,轴承相应的最佳气膜间隙的厚度也逐渐减小,但大的供气压力所对应的最大气膜刚度高于小的FLUIDMACHINERYV01.39,No.11,2011供气压力所对应的最大气膜刚度。4静压气体轴承对制冷机性能的影响静压气体轴承使得自由活塞斯特林制冷机的寿命得到了很大的延长,但它的存在也产生了一些负面作用¨。J:(1)在制冷机运行过程中,氦气从压缩腔出来进入贮气腔,然后经节流器节流后流入背压腔。这加快了压缩腔内气体向背压腔的泄漏速率,使背压腔内压力升高加快,加速压缩活塞向压缩腔偏移,使其位移减小,造成制冷机压缩活塞的扫气容积减小,制冷能力下降。(2)静压气体轴承的存在使制冷机结构变得复杂,并增加了影响制冷机性能的因素,恶化了部分已存在的因素。如:气锤振动、绕流和扩散损失、压缩活塞偏移加剧等,降低了制冷机的效率。文献[2,7]试验研究表明:气体轴承的耗气量约占制冷机运行中所需气量的2%,耗气损失约占机组膨胀功的4%,但却可以很好地弥补柔性板弹簧的刚度不足问题,避免活塞与气缸壁接触,造成磨损,大大减少了摩擦以及磨损产生的工质污染和气路堵塞,使制冷机的寿命达到10年以上,稳定性也得到很大的改善。5结论由以上的分析可知,静压气体轴承作为自由活塞斯特林制冷机中的一项可以完全消除压缩活塞与气缸间摩擦的关键技术,它不仅对制冷机的寿命有着重大的影响,而且还在很大程度上影响着制冷机的性能。以下是改善自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的方法和以后的研究方向:(1)增设向心孔气体回路。为了避免制冷机运行过程中背压腔内平均压力高于压缩腔内平均压力造成制冷机在较低的输入功率下就发生敲缸现象,应增加向心孔气体回路,把背压腔内的气体引回到压缩腔,补偿压缩腔内压力不足,使压缩活塞两端的平均压力更紧密配合p1;(2)在排出器与气缸之间间隙内开设静压气体轴承。由于静压气体轴承的工作原理的限制,自由活塞斯特林制冷机的排出器与气缸之间间隙内因无合适的气源很少开设静压气体轴承,使制万方数据冷机的寿命提高受到限制;(3)保证加工精度。加工精度对减小静压气体轴承的润滑间隙、提高气体轴承刚度和承载能力等方面有着重要的影响,若将压缩活塞和排出器与气缸间的间隙缩小到10urn以下,气体轴承的刚度可以得到显著提高;(4)整机模拟和提高模拟精度。欲准确地对自由活寒斯特林制冷机中气体轴承进行模拟,了解其对整机性能的影响,只有在整机中模拟并提高模拟的精度才能获得。而一般情况下,为了便于分析、简化模拟过程,我们做了许多假设,而且通常只是对气体轴承这一个部件进行模拟;(5)改变节流形式。我们可以尝试改变气体轴承的节流形式来改善其刚度和承载能力,而不只是通过模拟、分析小孔节流气体轴承的节流孔直径、供气压力、节流孔排数和每排节流孔个数等对气体轴承性能的影响。参考文献[1]陈国邦,汤珂.小型低温制冷机原理[M].北京:科学出版社,2009:125—163.[2]KuoDT,LocAs,HanesM.GasBearingImplementa-tionofSmallCryocoolerCompressor[C].AdvancesinCryogenicEngineering,Keystone,Colorado:2005:687-695.[3]HanesM.PerformanceandReliabilityImprovementsinaLow・CostStiflingCycleCryoeooler[J].Cryocool—eY¥,2001,11:87-95.[4]MeijersM,BenschopAAJ,MollieJc.Highreliabili・tycoolersunderdevelopmentatsignaal—USFA[c].Cryocoolers,keystone,Colorado:2002:111-118.[5]PweUJ.W.DesignofAerostaticsBearings[M].kn-don:MachineryPublishingCo,1970.[6]龙威.平面空气静压轴承承载特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.[7]ReuvenZ—MUngcr.GasBearingandMethodofMak-ingaGasBearingforaFreePistonMachine:US,US6293184B1[P].Sep.25,2001。[8]刘京.自由活塞热气机用气体轴承的性能计算与设计[D].上海:中国舰船研究院,2004。[9]WilliamTBeMe,NicholasRvailder,ReuvenzUn-ger.FluidBearingwithCompliantLinkageforCenter-ingReciprocatingBodies:US,5525845[P].Jun.11,1996.(下转第49页)2011年第39卷第11期流体机械49(上接第66页)[10]NielsOYoung.LinerMotorCompressorwithClear-aliceDischargeCoefficientsofOrificeTypeRestrictorforAerostatieSealsandGasBeatings:US,4545738[P].[17]Bearings[J].TribologyInternational,Oct.8,1985.2007,40:512-521.NevesMT,SchwarzVA,MenonGJ.DischargeefficientLubricationM1.NewinfluenceonCO-[11][12]庞志成.液体气体静压技术[M].黑龙江人民出版社,1981:360-374ConstantineseuVN.GasYork:ASME,1969.theperformanceofaerostatiejournalbeatings[J].TribologyInternational,2010,43:746-751.[13][14][15][16]WilliamAGross.FluidfilmlubricationYork:JohnWilley&Sons,1980.M1.New[18]KichiyeHabata.TheoreticalPressureDistributioninJournalBearings[J].JournalofAppliedMachanics,彭万欢.静压气体径向轴承的动静特性研究[D].绵阳:中国工程物理研究院,2006.李群霞.高精度静压气体轴承静特性及振动特性的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2004.BelforteG.RaparelliT,ViktorovV,TrivellaA.1961,12:54-60.作者简介:王建中(1987一)。男,硕士,主要从事小型斯特林低温制冷机的研究工作,通讯地址:200093上海市杨浦区军工路516号上海理工大学南校区9号宿舍701室。万方数据自由活塞斯特林制冷机中静压气体轴承的探讨
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
王建中, 陈曦, 张华, WANG Jian-zhong, CHEN Xi, ZHANG Hua上海理工大学,上海,200093流体机械
Fluid Machinery2011,39(11)
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