ICS21.100.10GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片軸承氣體動(dòng)壓徑向軸承性能Testingofstaticloadcapacity,frictioncoefficientandlifetime(ISO13939:2019,Foilbearings—Performancetestingoffoiljournalbearings—Testingofstaticloadcapacity,frictioncoefficientandlifetime,IDT)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)GB/T40116—2021/ISO13939:2019本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定本文件使用翻譯法等同采用ISO13939:2019《箔片軸承箔片徑向軸承性能測(cè)試靜態(tài)承載能片軸承氣體動(dòng)壓徑向軸承性能靜態(tài)承載能力、摩擦因數(shù)和壽命測(cè)試》。本文件由中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)提出。本文件由全國(guó)滑動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/本文件由全國(guó)滑動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)解釋。I1GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片軸承氣體動(dòng)壓徑向軸承性能本文件描述了箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的性能測(cè)試方法及結(jié)果比較方法，軸承由空氣(氣體)作為潤(rùn)滑介質(zhì)，由轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣體動(dòng)壓作為支承。本文件給出的測(cè)試方法旨在測(cè)試和評(píng)價(jià)箔片氣體動(dòng)壓轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境氣壓和濕度等)獲得的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。由于測(cè)試條件可以改變，所以可通過(guò)設(shè)置測(cè)試條件來(lái)改變軸承的靜態(tài)承載能力。本文件所描述的測(cè)試方法使用條件如下：b)只有當(dāng)箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承在某一轉(zhuǎn)速下保持轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變時(shí)，才能進(jìn)入評(píng)估程序；c)不考慮具有時(shí)變幅度和時(shí)變方向的動(dòng)態(tài)載荷。本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。轉(zhuǎn)軸與頂箔之間的氣體動(dòng)壓確保轉(zhuǎn)軸與頂箔開(kāi)始分離一定距離的運(yùn)行階段。轉(zhuǎn)軸幾何中心與軸套幾何中心重合時(shí)轉(zhuǎn)軸與頂箔之間的最小距離。轉(zhuǎn)軸與頂箔之間因轉(zhuǎn)動(dòng)引起摩擦而產(chǎn)生的摩擦力矩。初始載荷initialload初始階段施加于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上的載荷(3.42GB/T40116—2021/ISO13939:20193.63.7注：摩擦因數(shù)測(cè)試見(jiàn)第9章。3.8注：軸承壽命測(cè)試見(jiàn)第10章。表1～表4列出的符號(hào)適用于本文件。符號(hào)說(shuō)明單位C間隙mmd直徑mme偏心距mmF力NFw重量，載荷NH高度mmh濕度%K系數(shù)N·min/mmL長(zhǎng)度mmM摩擦力矩N·mmN壽命啟停測(cè)試次數(shù)p壓強(qiáng)N/mm2R表面粗糙度r距離mmT溫度℃3GB/T40116—2021/ISO13939:2019表2符號(hào)基本符號(hào)希臘字母符號(hào)說(shuō)明單位δ厚度mmE偏心率μ摩擦因數(shù)W轉(zhuǎn)速r/min下標(biāo)說(shuō)明a空氣(環(huán)境),平均值，應(yīng)用軸套內(nèi)的空氣b波箔，軸承f頂箔，摩擦頂箔表面h軸套最大值n凈值r徑向，半徑R相對(duì)起飛s穩(wěn)態(tài)，靜態(tài)，轉(zhuǎn)軸表4符號(hào)基本符號(hào)上標(biāo)上標(biāo)說(shuō)明(顯示在X上)X無(wú)量綱5測(cè)試目的測(cè)試目的為測(cè)試和評(píng)估箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的靜態(tài)承載能力、摩擦因數(shù)和使用壽命。特定尺寸箔片軸承的這些主要性能指標(biāo)與軸承應(yīng)用的機(jī)械系統(tǒng)密切相關(guān)。4GB/T40116—2021/ISO13939:2019箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)附錄A。6測(cè)試條件6.1總則過(guò)測(cè)試軸承摩擦力矩和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速獲得軸承性能。測(cè)試中，可觀察到轉(zhuǎn)軸無(wú)接觸浮于頂箔之上的起飛轉(zhuǎn)6.2測(cè)試裝置結(jié)果。測(cè)試箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承摩擦力矩和靜態(tài)承載能力的裝置可按圖1安裝。采用圖1所示測(cè)試系位移傳感器安裝在軸套兩端且互成直角(如圖2所示)。通過(guò)測(cè)量和比較傳感器數(shù)值可獲得軸心位移。對(duì)測(cè)量位移信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT),或采用轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。采用熱電偶測(cè)量周圍5GB/T40116—2021/ISO13939:2019234568圖1軸承摩擦力矩和承載能力測(cè)試裝置6GB/T40116—2021/ISO13939:2019標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——位移傳感器；2——軸套；3——測(cè)量空氣溫度的熱電偶；摩擦力F可通過(guò)連接在軸套外側(cè)力臂桿上的測(cè)力單元進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)所導(dǎo)致的軸承摩擦力矩M可通過(guò)摩擦力F和距離r(軸套軸心到測(cè)力單元軸心的垂直距離)的乘積計(jì)算獲得，如公式(1)M=FXr (1)r—-—軸套軸心線與力臂桿上測(cè)力單元軸心線的垂直距離，單位為毫箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的凈載荷Fw,n(如圖1所示)等于加載載荷Fw,減去軸套重量Fw,h,Fw,a通過(guò)安裝在軸套與加載裝置之間的測(cè)力單元測(cè)得。6.5測(cè)試樣本7測(cè)試方法7.1總則應(yīng)在充分預(yù)熱后測(cè)試起飛轉(zhuǎn)速并評(píng)估承載能力。測(cè)試報(bào)告給出了測(cè)試和評(píng)估所需的相關(guān)變量(見(jiàn)附錄B)。7GB/T40116—2021/ISO13939:2019轉(zhuǎn)軸在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承開(kāi)始工作。當(dāng)轉(zhuǎn)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)測(cè)試軸承摩擦力矩。圖3所示為啟停測(cè)試中軸承摩擦力矩變化的典型情況，軸承摩擦力矩與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。隨著軸承摩擦力矩下降到穩(wěn)定值時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速確定為軸承的起飛轉(zhuǎn)速，應(yīng)將其記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附單個(gè)啟停測(cè)試周期包含以下過(guò)程：a)首先，應(yīng)確定啟停測(cè)試所需載荷并加載。宜選擇實(shí)際施加于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的載荷值對(duì)軸承的承載能力和使用壽命進(jìn)行評(píng)估。否則，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算啟停測(cè)試所需初始載荷Fw,隨后根據(jù)7.3的測(cè)試程序評(píng)估施加載荷Fwa。Fw=K×(L×dg)×(d×w) K—-—箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的承載能力系數(shù)，其值為1.4(N·min/mm3);b)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速達(dá)到起飛轉(zhuǎn)速后，運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)保持15s,隨后關(guān)閉電動(dòng)機(jī)并保持5s停止?fàn)顟B(tài)。8GB/T40116—2021/ISO13939:20197.3靜態(tài)承載能力的評(píng)估靜態(tài)承載能力Fw,是穩(wěn)態(tài)下箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承可承受的最大穩(wěn)定載荷。靜態(tài)承載能力的確定過(guò)程如下。a)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速保持在給定測(cè)試速度(如軸承在實(shí)際工作中的運(yùn)行速度)。通過(guò)安裝在軸套內(nèi)的熱電偶測(cè)量空氣(氣體)溫度并確定熱平衡狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)后方可進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試轉(zhuǎn)速設(shè)置在起飛轉(zhuǎn)速和保證軸承系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速之間。b)提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速增量為測(cè)試轉(zhuǎn)速的10%左右，以使軸承獲得更高承載能力。施加初始載荷Fw,隨后將轉(zhuǎn)速降至測(cè)試轉(zhuǎn)速。該狀態(tài)下連續(xù)測(cè)試轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和軸承摩擦力矩5min,以判斷空氣膜或軸承是否破壞。轉(zhuǎn)軸和頂箔間具有空氣膜則說(shuō)明軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常。若轉(zhuǎn)軸和頂箔之間出現(xiàn)不必要的接觸，則會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)，此時(shí)務(wù)必切換到步驟d),否則粘附將會(huì)在幾秒鐘內(nèi)出現(xiàn)。c)如果沒(méi)有發(fā)生失效，則提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速增量為測(cè)試轉(zhuǎn)速的10%左右；增加載荷，載荷增量為初始載荷的1%,隨后將轉(zhuǎn)速降至測(cè)試轉(zhuǎn)速。觀察軸承5min看是否發(fā)生失效。d)一旦軸承發(fā)生失效，應(yīng)及時(shí)卸載施加載荷，并在轉(zhuǎn)軸達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)且保持測(cè)試速度穩(wěn)定運(yùn)行幾分鐘后停止測(cè)試。e)保證軸承順利工作的最大載荷為施加載荷Fw.a,凈載荷Fw.采用6.4中的方法計(jì)算，并記錄在附錄B的測(cè)試報(bào)告中。f)啟停測(cè)試應(yīng)在給定測(cè)試轉(zhuǎn)速下重復(fù)至少3次，并將每次獲得的凈載荷Fw,記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。g)上述凈載荷Fw,n中，將保證軸承順利工作的最小凈載荷值作為軸承在給定測(cè)試轉(zhuǎn)速下的靜態(tài)承載能力Fw,s,并記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。7.4無(wú)量綱靜態(tài)承載能力的計(jì)算箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的靜態(tài)承載能力會(huì)受到周圍空氣(氣體)壓力影響，作為工作介質(zhì)，氣體壓力與軸承的投影面積(即轉(zhuǎn)軸直徑與軸承長(zhǎng)度的乘積)有關(guān)。因此，工作環(huán)境參數(shù)不同時(shí)，箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的性能可通過(guò)對(duì)靜態(tài)承載能力進(jìn)行無(wú)量綱化，即計(jì)算每一投影面積的承載能力來(lái)消除周圍空氣(氣體)造成的影響，從而進(jìn)行比較和評(píng)估。無(wú)量綱靜態(tài)承載能力Fw..通過(guò)公式(3)計(jì)算，并記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。Fw,g=Fw,/(pa×L×d?)…………(3)Fw,s——無(wú)量綱靜態(tài)承載能力；Fw——靜態(tài)承載能力，單位為牛(N);pa——周圍空氣壓力，單位為牛每平方毫米(N/mm2);L——頂箔軸向長(zhǎng)度，單位為毫米(mm);d,——轉(zhuǎn)軸直徑，單位為毫米(mm)。7.5軸承承載能力系數(shù)軸承承載能力系數(shù)可根據(jù)公式(4)計(jì)算，并作為靜態(tài)承載能力的性能指標(biāo)，記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。K=Fw,s/[(L×d?)×(d?×w)]………………(4)Fw.——靜態(tài)承載能力，單位為牛(N);L——頂箔軸向長(zhǎng)度，單位為毫米(mm);98間隙和偏心率無(wú)量綱靜態(tài)承載能力與轉(zhuǎn)軸中心位置的變化密切相關(guān)。將軸套和轉(zhuǎn)軸的中心距定義為偏心距e,轉(zhuǎn)軸中心與軸套中心重合時(shí)，軸與頂箔間的徑向間隙定義為間隙C。間隙和偏心率根據(jù)公式(5)計(jì)算獲得： (5)E=e/C,式中：C.——箔片氣體動(dòng)壓軸承的間隙，單位為微米(mm);δf——頂箔厚度，單位為毫米(mm);E——偏心率；圖4給出了偏心率與無(wú)量綱靜態(tài)承載能力的關(guān)系。間隙在軸承設(shè)計(jì)和制造時(shí)確定，并在測(cè)試報(bào)告中注明(見(jiàn)附錄B)。位移傳感器按圖2所示安裝在軸套兩端且互成直角，通過(guò)比較傳感器測(cè)量值可獲得轉(zhuǎn)軸軸心的位移。偏心距和偏心率通過(guò)測(cè)得的位移計(jì)算獲得，并記錄在報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。本文件標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：Fw,s-—無(wú)量綱靜態(tài)承載能力：Y——1/e。測(cè)試數(shù)據(jù)。擬合曲線。圖4偏心率與無(wú)量綱靜態(tài)承載能力的典型關(guān)系GB/T40116—2021/ISO13939:20199摩擦因數(shù)摩擦力和摩擦因數(shù)是箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的主要性能表征值。這些值可通過(guò)穩(wěn)態(tài)條件下測(cè)得的摩擦力F。,以及通過(guò)公式(1)和7.3獲得的靜態(tài)承載能力Fw.計(jì)算出來(lái)。μ=F./Fw,s…(6)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)軸與頂箔間的摩擦力是最大靜摩擦力。最大摩擦因數(shù)根據(jù)公式(6)的最大靜摩擦力以靜態(tài)承載能力Fw.作為施加載荷，重復(fù)7.2中所描述的啟停測(cè)試，以對(duì)軸承進(jìn)行耐久性測(cè)試。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的氣體動(dòng)壓在很大程度上受轉(zhuǎn)軸與頂箔之間的間隙C.影響(如第8章所述)。當(dāng)因頂箔和/或轉(zhuǎn)軸磨損導(dǎo)致其間隙超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，性能指標(biāo)(如靜態(tài)承載能力)將會(huì)降低。因此，應(yīng)將磨損量控制在一定范圍內(nèi)，以保證間隙處于合適的范圍(典型箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承的間隙約為啟停測(cè)試次數(shù)即為軸承使用壽命，記錄在測(cè)試報(bào)告中(見(jiàn)附錄B)。其他情況下，當(dāng)頂箔磨損率達(dá)到頂箔厚度20%或轉(zhuǎn)軸接觸到頂箔厚度的20%時(shí)，其啟停測(cè)試次數(shù)啟停測(cè)試每循環(huán)1000次，測(cè)量一次磨損率。測(cè)試報(bào)告(見(jiàn)附錄B)應(yīng)包含以下內(nèi)容：a)本文件編號(hào)；b)軸承參數(shù)；c)測(cè)試條件；d)測(cè)試方法；e)加載方法；f)測(cè)試地點(diǎn)；g)測(cè)試日期；h)測(cè)試人員；i)測(cè)試結(jié)果。GB/T40116—2021/ISO13939:2019(資料性)典型箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承結(jié)構(gòu)確保轉(zhuǎn)軸和頂箔之間的間隙可使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓建立起空氣膜。1——頂箔；5——前緣；圖A.1典型箔片氣體動(dòng)壓徑向軸承結(jié)構(gòu)圖A.2波箔和頂箔結(jié)構(gòu)GB/T40116—2021/ISO13939:2019(資料性)測(cè)試報(bào)告測(cè)試記錄內(nèi)容見(jiàn)表B.1。表B.1測(cè)試報(bào)告測(cè)試依據(jù)：GB/T40116符號(hào)單位數(shù)據(jù)文件名稱：測(cè)試樣本：轉(zhuǎn)軸直徑：mm頂箔材料熱處理長(zhǎng)度(軸向)Lmm厚度δmm表面粗糙度波箔高度Hmm厚度mm軸套內(nèi)徑dmm重量FwhN間隙C,=[d,-ds-(H,+δ)]/2Cmm環(huán)境氣體條件類型□空氣口其他相對(duì)濕度%溫度℃壓強(qiáng)N/mm2加載方法□負(fù)重□氣動(dòng)載荷液壓載荷□其他()測(cè)試結(jié)果4th起飛時(shí)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速Wto測(cè)試速度轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速r/min軸承摩擦力矩，最大值MmxN·m軸承摩擦力矩，穩(wěn)態(tài)MN·m最大摩擦因數(shù)=Mma/(r·Fw.)max穩(wěn)態(tài)摩擦因數(shù)=M,/(r·Fw,)μ軸套內(nèi)空氣(氣體)溫度Tah℃頂箔表面溫度T℃GB/T40116—2021/ISO13939:2019表B.1測(cè)試報(bào)告(續(xù))測(cè)試依據(jù)：GB/T40116符號(hào)單位數(shù)據(jù)施加載荷Fw,N凈載荷=Fw,-Fw,hFw,nN靜態(tài)承載能力Fw.xN無(wú)量綱靜態(tài)承載能力Fw,軸承承載能力系數(shù)N·min/mm3偏心距emm偏心率E壽命Nb啟停測(cè)試次數(shù)測(cè)試地點(diǎn)測(cè)試時(shí)間：測(cè)試人員：評(píng)價(jià)：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