(高清版)GBT 40116-2021 箔片轴承　气体动压径向轴承性能　静态承载能力、摩擦因数和寿命测试

ICS21.100.10GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片轴承气体动压径向轴承性能Testingofstaticloadcapacity,frictioncoefficientandlifetime(ISO13939:2019,Foilbearings—Performancetestingoffoiljournalbearings—Testingofstaticloadcapacity,frictioncoefficientandlifetime,IDT)国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会GB/T40116—2021/ISO13939:2019本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准文件的结构和起草规则》的规定本文件使用翻译法等同采用ISO13939:2019《箔片轴承箔片径向轴承性能测试静态承载能片轴承气体动压径向轴承性能静态承载能力、摩擦因数和寿命测试》。本文件由中国机械工业联合会提出。本文件由全国滑动轴承标准化技术委员会(SAC/本文件由全国滑动轴承标准化技术委员会负责解释。I1GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片轴承气体动压径向轴承性能本文件描述了箔片气体动压径向轴承的性能测试方法及结果比较方法，轴承由空气(气体)作为润滑介质，由转轴转动产生的气体动压作为支承。本文件给出的测试方法旨在测试和评价箔片气体动压转轴转速、环境气压和湿度等)获得的测试结果进行比较。由于测试条件可以改变，所以可通过设置测试条件来改变轴承的静态承载能力。本文件所描述的测试方法使用条件如下：b)只有当箔片气体动压径向轴承在某一转速下保持转动惯量不变时，才能进入评估程序；c)不考虑具有时变幅度和时变方向的动态载荷。本文件没有规范性引用文件。转轴与顶箔之间的气体动压确保转轴与顶箔开始分离一定距离的运行阶段。转轴几何中心与轴套几何中心重合时转轴与顶箔之间的最小距离。转轴与顶箔之间因转动引起摩擦而产生的摩擦力矩。初始载荷initialload初始阶段施加于转动系统上的载荷(3.42GB/T40116—2021/ISO13939:20193.63.7注：摩擦因数测试见第9章。3.8注：轴承寿命测试见第10章。表1～表4列出的符号适用于本文件。符号说明单位C间隙mmd直径mme偏心距mmF力NFw重量，载荷NH高度mmh湿度%K系数N·min/mmL长度mmM摩擦力矩N·mmN寿命启停测试次数p压强N/mm²R表面粗糙度r距离mmT温度℃3GB/T40116—2021/ISO13939:2019表2符号基本符号希腊字母符号说明单位δ厚度mmE偏心率μ摩擦因数W转速r/min下标说明a空气(环境),平均值，应用轴套内的空气b波箔，轴承f顶箔，摩擦顶箔表面h轴套最大值n净值r径向，半径R相对起飞s稳态，静态，转轴表4符号基本符号上标上标说明(显示在X上)X无量纲5测试目的测试目的为测试和评估箔片气体动压径向轴承的静态承载能力、摩擦因数和使用寿命。特定尺寸箔片轴承的这些主要性能指标与轴承应用的机械系统密切相关。4GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片气体动压径向轴承的典型结构见附录A。6测试条件6.1总则过测试轴承摩擦力矩和转轴转速获得轴承性能。测试中，可观察到转轴无接触浮于顶箔之上的起飞转6.2测试装置结果。测试箔片气体动压径向轴承摩擦力矩和静态承载能力的装置可按图1安装。采用图1所示测试系位移传感器安装在轴套两端且互成直角(如图2所示)。通过测量和比较传感器数值可获得轴心位移。对测量位移信号进行快速傅立叶变换(FFT),或采用转速计测量转轴转速。采用热电偶测量周围5GB/T40116—2021/ISO13939:2019234568图1轴承摩擦力矩和承载能力测试装置6GB/T40116—2021/ISO13939:2019标引序号说明：1——位移传感器；2——轴套；3——测量空气温度的热电偶；摩擦力F可通过连接在轴套外侧力臂杆上的测力单元进行测量。转轴转动所导致的轴承摩擦力矩M可通过摩擦力F和距离r(轴套轴心到测力单元轴心的垂直距离)的乘积计算获得，如公式(1)M=FXr (1)r—-—轴套轴心线与力臂杆上测力单元轴心线的垂直距离，单位为毫箔片气体动压径向轴承的净载荷Fw,n(如图1所示)等于加载载荷Fw,减去轴套重量Fw,h,Fw,a通过安装在轴套与加载装置之间的测力单元测得。6.5测试样本7测试方法7.1总则应在充分预热后测试起飞转速并评估承载能力。测试报告给出了测试和评估所需的相关变量(见附录B)。7GB/T40116—2021/ISO13939:2019转轴在驱动器驱动下开始转动，轴承开始工作。当转轴开始转动且转速逐渐增加时测试轴承摩擦力矩。图3所示为启停测试中轴承摩擦力矩变化的典型情况，轴承摩擦力矩与转轴转速密切相关。随着轴承摩擦力矩下降到稳定值时，此时的转速确定为轴承的起飞转速，应将其记录在测试报告中(见附单个启停测试周期包含以下过程：a)首先，应确定启停测试所需载荷并加载。宜选择实际施加于转动系统的载荷值对轴承的承载能力和使用寿命进行评估。否则，可根据经验公式(2)计算启停测试所需初始载荷Fw,随后根据7.3的测试程序评估施加载荷Fwa。Fw=K×(L×dg)×(d×w) K—-—箔片气体动压径向轴承的承载能力系数，其值为1.4(N·min/mm³);b)转轴转速达到起飞转速后，运行状态应保持15s,随后关闭电动机并保持5s停止状态。8GB/T40116—2021/ISO13939:20197.3静态承载能力的评估静态承载能力Fw,是稳态下箔片气体动压径向轴承可承受的最大稳定载荷。静态承载能力的确定过程如下。a)转轴转速保持在给定测试速度(如轴承在实际工作中的运行速度)。通过安装在轴套内的热电偶测量空气(气体)温度并确定热平衡状态，系统达到热平衡状态后方可进行测试。测试转速设置在起飞转速和保证轴承系统稳定运行的转速之间。b)提高转速，转速增量为测试转速的10%左右，以使轴承获得更高承载能力。施加初始载荷Fw,随后将转速降至测试转速。该状态下连续测试转轴转速和轴承摩擦力矩5min,以判断空气膜或轴承是否破坏。转轴和顶箔间具有空气膜则说明轴承运转正常。若转轴和顶箔之间出现不必要的接触，则会发生不稳定振动，此时务必切换到步骤d),否则粘附将会在几秒钟内出现。c)如果没有发生失效，则提高转速，转速增量为测试转速的10%左右；增加载荷，载荷增量为初始载荷的1%,随后将转速降至测试转速。观察轴承5min看是否发生失效。d)一旦轴承发生失效，应及时卸载施加载荷，并在转轴达到稳定转动状态且保持测试速度稳定运行几分钟后停止测试。e)保证轴承顺利工作的最大载荷为施加载荷Fw.a,净载荷Fw.采用6.4中的方法计算，并记录在附录B的测试报告中。f)启停测试应在给定测试转速下重复至少3次，并将每次获得的净载荷Fw,记录在测试报告中(见附录B)。g)上述净载荷Fw,n中，将保证轴承顺利工作的最小净载荷值作为轴承在给定测试转速下的静态承载能力Fw,s,并记录在测试报告中(见附录B)。7.4无量纲静态承载能力的计算箔片气体动压径向轴承的静态承载能力会受到周围空气(气体)压力影响，作为工作介质，气体压力与轴承的投影面积(即转轴直径与轴承长度的乘积)有关。因此，工作环境参数不同时，箔片气体动压径向轴承的性能可通过对静态承载能力进行无量纲化，即计算每一投影面积的承载能力来消除周围空气(气体)造成的影响，从而进行比较和评估。无量纲静态承载能力Fw..通过公式(3)计算，并记录在测试报告中(见附录B)。Fw,g=Fw,/(pa×L×d₈)…………(3)Fw,s——无量纲静态承载能力；Fw——静态承载能力，单位为牛(N);pa——周围空气压力，单位为牛每平方毫米(N/mm²);L——顶箔轴向长度，单位为毫米(mm);d,——转轴直径，单位为毫米(mm)。7.5轴承承载能力系数轴承承载能力系数可根据公式(4)计算，并作为静态承载能力的性能指标，记录在测试报告中(见附录B)。K=Fw,s/[(L×d₅)×(d₅×w)]………………(4)Fw.——静态承载能力，单位为牛(N);L——顶箔轴向长度，单位为毫米(mm);98间隙和偏心率无量纲静态承载能力与转轴中心位置的变化密切相关。将轴套和转轴的中心距定义为偏心距e,转轴中心与轴套中心重合时，轴与顶箔间的径向间隙定义为间隙C。间隙和偏心率根据公式(5)计算获得： (5)E=e/C,式中：C.——箔片气体动压轴承的间隙，单位为微米(mm);δf——顶箔厚度，单位为毫米(mm);E——偏心率；图4给出了偏心率与无量纲静态承载能力的关系。间隙在轴承设计和制造时确定，并在测试报告中注明(见附录B)。位移传感器按图2所示安装在轴套两端且互成直角，通过比较传感器测量值可获得转轴轴心的位移。偏心距和偏心率通过测得的位移计算获得，并记录在报告中(见附录B)。本文件标引序号说明：Fw,s-—无量纲静态承载能力：Y——1/e。测试数据。拟合曲线。图4偏心率与无量纲静态承载能力的典型关系GB/T40116—2021/ISO13939:20199摩擦因数摩擦力和摩擦因数是箔片气体动压径向轴承的主要性能表征值。这些值可通过稳态条件下测得的摩擦力F。,以及通过公式(1)和7.3获得的静态承载能力Fw.计算出来。μ=F./Fw,s…(6)启动过程中转轴与顶箔间的摩擦力是最大静摩擦力。最大摩擦因数根据公式(6)的最大静摩擦力以静态承载能力Fw.作为施加载荷，重复7.2中所描述的启停测试，以对轴承进行耐久性测试。转轴转动产生的气体动压在很大程度上受转轴与顶箔之间的间隙C.影响(如第8章所述)。当因顶箔和/或转轴磨损导致其间隙超过一定数值时，性能指标(如静态承载能力)将会降低。因此，应将磨损量控制在一定范围内，以保证间隙处于合适的范围(典型箔片气体动压径向轴承的间隙约为启停测试次数即为轴承使用寿命，记录在测试报告中(见附录B)。其他情况下，当顶箔磨损率达到顶箔厚度20%或转轴接触到顶箔厚度的20%时，其启停测试次数启停测试每循环1000次，测量一次磨损率。测试报告(见附录B)应包含以下内容：a)本文件编号；b)轴承参数；c)测试条件；d)测试方法；e)加载方法；f)测试地点；g)测试日期；h)测试人员；i)测试结果。GB/T40116—2021/ISO13939:2019(资料性)典型箔片气体动压径向轴承结构确保转轴和顶箔之间的间隙可使转轴转动产生的流体动压建立起空气膜。1——顶箔；5——前缘；图A.1典型箔片气体动压径向轴承结构图A.2波箔和顶箔结构GB/T40116—2021/ISO13939:2019(资料性)测试报告测试记录内容见表B.1。表B.1测试报告测试依据：GB/T40116符号单位数据文件名称：测试样本：转轴直径：mm顶箔材料热处理长度(轴向)Lmm厚度δmm表面粗糙度波箔高度Hmm厚度mm轴套内径dmm重量FwhN间隙C,=[d,-ds-(H,+δ)]/2Cmm环境气体条件类型□空气口其他相对湿度%温度℃压强N/mm²加载方法□负重□气动载荷液压载荷□其他()测试结果4th起飞时的转轴转速Wto测试速度转轴转速r/min轴承摩擦力矩，最大值MmxN·m轴承摩擦力矩，稳态MN·m最大摩擦因数=Mma/(r·Fw.)max稳态摩擦因数=M,/(r·Fw,)μ轴套内空气(气体)温度Tah℃顶箔表面温度T℃GB/T40116—2021/ISO13939:2019表B.1测试报告(续)测试依据：GB/T40116符号单位数据施加载荷Fw,N净载荷=Fw,-Fw,hFw,nN静态承载能力Fw.xN无量纲静态承载能力Fw,轴承承载能力系数N·min/mm³偏心距emm偏心率E寿命Nb启停测试次数测试地点测试时间：测试人员：评价：GB/T40116—2021/ISO13939:2019[1]ISO/IEC/TR10000-1,Informationtechnology—FrameworkandtaxonomyofInternationalStand-[2]DellaCorteC.ANewFoilAirBearingTestRigforUseto700℃and70000rpm,NASATM-1997-107405[3]DellaCorteC.,ValcoM.J.LoadCapacityEstimationofFoilAirJournalBearingsforOil-FreeTurbo-machineryApplications,NASATM-2000-209782,2000,Cleveland,Ohio[4]HeshmatH.,AdvancementsinthePerformanceofAerodynamicFoilJournalBearings:HighSpeedandLoadCapability,ASME.J.Tribol.1994,116(2)pp.287-295[5]RadilK.,HowardS.,DykasB.TheRoleofRadialClearanceonthePerformanceofFoilAirBearings,NASA/TM-2002-211705[6]FactsN.A.S.A.2001,CreatingaTurbomachineryRevolution,FS-2001-07-014-GRC,Cleveland,Ohio[7]SanAndresL.andDesantiago,O.C.IdentificationofJournalBearingForeCoefficientsUn-derHighDynamicLoading-PartI:ConcentricStaticOperation,ProceedingsofSTLE/ASMEInterna-tionalConference,No.Trib2004-64300,2004[8]KimT.H.,SanAndresL.HeavilyLoadedGa