自由活塞斯特林发电机是由自由活塞斯特林发动机和直线电机耦合的一种新型的外燃式热电转换机械，其整体结构简单紧凑、效率高、振动噪音小，因此在空间电源和新能源发电等领域有着广泛的应用前景[1]．对于实际空间应用，发电机的可靠性是关键的技术指标．自由活塞斯特林发电机内部存在配气活塞和动力活塞两个运动部件，其运行过程中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将严重影响发电机运行的稳定性和寿命[2-3]，因此必须通过外部支撑实现活塞与气缸的不接触并且还能保持两者间存在动密封．目前主要采用柔性板弹簧结构来提供活塞的径向和轴向支撑，但是由于材料限制、机械设计与制作工艺水平不成熟，板弹簧的轴、径向刚度、自然频率、位移行程和有效运行次数均受到限制[4]．尤其是对于输出功率kW级以上的发电机，需要更高的轴、径向刚度才能达到一定的支撑能力，通常采用加厚板弹簧和增大直径等方式来实现，这将会造成系统动质量的增加[5]，使得发电机的运行频率和效率降低．静压气体轴承作为一种高精度且能有效减小运动副间摩擦的技术手段，在精密加工机械、测量机械等领域具有广泛的应用，并且也已经被应用于长寿命斯特林制冷机中[6-7]．静压气体轴承主要通过气体的黏性在气缸和活塞之间形成压力气膜，从而产生一定的支撑载荷．气体轴承性能的关键参数主要包括承载力、流量、刚度和稳定性．近年来，诸多文献利用Fluent和COMSOL等模拟软件对气体轴承内部气膜流场进行仿真计算[7-8]，主要分析轴承自身结构、偏心率、气膜间隙及进出口压力等对气膜压力、承载力、刚度和耗气量的影响规律，从而为实际设计提供优化方向，且大多集中于转子机械中的气体轴承分析[9-14]．实验研究是分析气体轴承实际工作性能和检验数值分析方法正确与否的基本手段．文献[15]搭建了一种杠杆加载，单轴直线运动定位平台驱动的真空环境下使用的静压气体轴承性能检测装置，通过杠杆加载方式实现轴承载荷连续可调，获得了轴承径向气膜间隙的气压分布．文献[16]对透平膨胀机用的径向和止推气体轴承搭建了测试试验台，通过布置的27路传感器，得到了轴承的内部气膜压力分布、振动信号和轴心轨迹等．文献[17]采用弹簧拉压平衡原理对轴承加载，并且采用位移传感器和流量计实现对气膜间隙大小及耗气量的测量，实现了静压气体轴承压力分布的连续测定．文献[18]设计了基于气体负载自动平衡原理的实验装置，通过测量通气和停气两种状态下装有不同砝码过渡盘的浮起量，从而得到气膜间隙，用于推算轴承性能．上述文献主要采用不同的方法对静压气体轴承的气膜间隙和轴承载荷进行测量，以此得到间隙内的压力分布和轴承刚度，整体实验系统较为复杂且着重研究的是单个平面轴承的性能，并未进行安装于活塞后实际效果的研究，同时对于10 μm量级的气膜间隙，很难通过有效的实验手段精确测量，实验精度较低．基于上述背景，本研究首先对发电机中动力活塞运动产生磨损的原因进行分析，然后针对动力活塞气体轴承进行结构设计，并搭建一套基于静动摩擦力理论来测量自由活塞斯特林发电机活塞气体轴承性能的测试实验台，以此测试并分析不同气体轴承孔径、数量、腔内压力和轴承载荷对实际轴承耗气量和承载力的影响规律，为后期整机应用中合理地选择气压源及轴承的结构、保证轴承可靠运行、减少损失等奠定基础．1 动力活塞侧向力分析如图1所示，动磁式自由活塞斯特林发电机主要包含三个换热器(热端换热器、回热器和冷端换热器)、两个活塞(动力活塞和配气活塞)和一个动磁式直线电机．动磁式直线电机的动子结构主要由动力活塞和永磁铁组件组成[19]．理想情况下，当永磁铁在径向方向上处于轴对称平衡位置时，动子在径向方向并不受力．而当内外气隙产生偏差使得永磁铁组件产生偏移时，会使得永磁体和内、外回铁之间的磁力发生变化，从而产生一定的径向力，造成动力活塞和气缸接触，增加了运行的摩擦．10.13245/j.hust.220502.F001图1自由活塞斯特林发电机结构示意图在实际安装运行过程中，由于加工精度、活塞和气缸的同轴度、动力活塞外表面膜层的不均匀性及动子本身重力影响等因素，会产生永磁铁环整体平行侧向偏移距离δ或永磁铁环整体倾斜侧向偏移角度θ这两种不同的动子偏移情况，分别如图2(a)和图2(b)所示．10.13245/j.hust.220502.F002图2动子永磁铁平行侧向偏移和倾斜侧向偏移情况示意图利用有限元分析软件分别针对以上两种情况建立三维分析模型，如图3所示，该三维模型简化了外回铁的结构．10.13245/j.hust.220502.F003图3三维分析模型固定内外回铁位置，通过设置动子永磁铁不同的偏心距离δ和不同的倾斜角度θ，可以计算得到不同工况下动子的受力情况，得到受力F的曲线如图4所示，可以发现：动子所受径向力的方向与偏移的方向相同，其大小随着单向偏移距离的增加而线性增加，并且其斜率接近1 997 N/mm；同时，径向力与偏移角度也呈正比关系，其斜率接近10.13245/j.hust.220502.F004图4动子不同偏移情况下受力1 536 N/(°)．2 气体轴承结构与实验装置图5为自由活塞斯特林发电机动力活塞气体轴承结构示意图，动力活塞前端安置单向阀，当工作腔内压力与轴承腔内压力的差值大于单向阀开启压力时，工作腔内的工质会通过单向阀进入轴承腔内，使得内部压力逐渐增大．同时，轴承腔内气体经气体轴承孔向外喷射进入气缸和活塞的间隙．活塞由于自身重力和载荷的作用，活塞会产生一定的偏心，根据伯努利定律，由于间隙大的上侧的流速较大，因此静压力较小，反之间隙小的下侧的气体流速较小，静压力较大，因此上下气膜间产生压力差，形成与载荷方向相反的承载力，达到浮起状态[20]．10.13245/j.hust.220502.F005图5动力活塞气体轴承结构示意图如图6所示，对静止的物体施加拉力Ft，当不断增大拉力时，物体会存在一个从静止到滑动的平衡临界状态，此时物体所受的静摩擦力f达到最大值fmax，且数值上大于滑动摩擦力．基于此，本研究设计了一套自由活塞斯特林发电机动力活塞气体轴承承载能力测试实验装置，如图7和图8所示．整体实验台主要包括轴承供气、负荷加载、压力受力检测和信号采集等部分．10.13245/j.hust.220502.F006图6受拉物体摩擦曲线10.13245/j.hust.220502.F007图7气体轴承性能测试实验示意图1—高压气瓶；2—减压阀；3—压力表；4—流量计；5—动态压力传感器；6—动力活塞；7—气缸；8—拉压力传感器；9—定滑轮；10—砝码．10.13245/j.hust.220502.F008图8气体轴承性能测试实验装置装有气体轴承的动力活塞置于气缸中，气缸整体结构通过外支架固定在平台上．实验台的气源通过减压阀来控制气体轴承所需的供气压力，减压阀的压力调节范围为5～600 kPa，同时利用ALICAT 20系列标准型质量流量计(精度为±0.5%读数)和动态压力传感器(精度为1.0%)实时监测流入轴承腔内的质量流量和腔内压力．负荷加载主要通过外加配重砝码施加于动力活塞的一端，用于模拟实际活塞所受的不同的径向力．活塞摩擦力的变化由HBM-U1A型力传感器测量，灵敏度为0.1%，线性偏差为0.1%．根据之前模拟得到的动子不同偏移情况下的受力情况，本实验通过在活塞中添加载荷以模拟活塞所受的不同侧向力情况；同时，对加载不同充气压力和不同结构的气体轴承，测量动力活塞的受力，得到其不同工况下的最大静摩擦力，以此判断活塞的浮起状态，从而得到气体轴承的性能规律．3 实验结果与分析3.1　不同气体轴承孔径对轴承性能的影响在设置相同载荷及其他结构参数都相同的工况下，开展不同气体轴承节流孔直径在不同腔内压力下对于轴承承载能力和耗气量的实验研究，结果如图9所示，可以看出：在一定范围内，随着腔内压力p增大，活塞所受的摩擦力f不断减小．当腔内压力达到一定大小后，摩擦力减小到零附近且维持不变，说明此时活塞处于浮起状态，因此将摩擦力减小至零的起始压力定义为该工况下的浮起压力．进一步对比发现：Φ0.16 mm孔径的气体轴承的10.13245/j.hust.220502.F009图9不同气体轴承节流孔径下活塞摩擦力和耗气量浮起压力最小，相对应的轴承承载能力最好，而Φ0.08 mm孔径在实验设置最大0.5 MPa压力下也没能使得活塞达到浮起状态；同时，轴承的耗气量Qm随着腔内的压力增大线性增大，且轴承孔径越大，相对应的耗气量越大．3.2　不同气体轴承孔数对轴承性能的影响图10为相同工况下两种轴承孔数目的轴承耗气量和活塞摩擦力随腔内压力变化规律的实验结果，可以看出：随着轴承孔数目的增加，相同压力下活塞所受的摩擦力明显减小，并且对应的浮起压力也显著减小，进一步说明孔数目增多，轴承的承载能力增大．但随着腔内压力增大，轴承孔数增大会引起耗气量成倍增长，因此调节轴承孔数也是增大轴承承载能力和减小系统耗气量的一种重要手段．10.13245/j.hust.220502.F010图10不同气体轴承孔数下活塞摩擦力和耗气量3.3　不同径向力对轴承性能的影响根据前面模拟得到的不同径向力的计算结果，采用24个直径为0.12 mm的气体轴承孔开展了7种不同径向力下气体轴承的性能研究，其结果如图11所示．利用不同质量的配重砝码模拟不同的径向力，可以发现：在相同腔内压力下，随着配重质量增加，活塞所受的摩擦力不断增大，并且对应的浮起压力均不相同，侧向力越大，活塞所需的浮起压力也越大．10.13245/j.hust.220502.F011图11不同配重和内腔压力下活塞摩擦力图12为不同配重m下三种不同孔直径的气体轴承浮起压力pf曲线．随着配重的增加，活塞的浮起压力呈抛物线增长，并且在相同情况下，0.16 mm孔直径的浮起压力最小，0.12 mm次之，0.08 mm最大．这说明在相同条件下，0.16 mm孔径的气体轴承承载能力最好，但综合图8可以发现：0.16 mm孔径的气体轴承所引起的耗气量也最大，相对应的损失也最大，因此在实际应用过程中须根据实际载荷需求和单向阀的开启压力综合选择合适的气体轴承孔直径．10.13245/j.hust.220502.F012图12不同配重下不同孔径气体轴承浮起压力4 结论本研究首先分析了自由活塞斯特林发电机中动子在实际运行过程中存在两种不同的偏移情况，并通过有限元软件分别模拟得到了偏移引起侧向力变化的规律．结果表明：动子所受的径向力随着偏移距离和偏移角度的增加呈线性增加其斜率分别为1 997 N/mm和1 535 N/(°)，且受力的方向与偏移的方向相同．然后基于静动摩擦力理论搭建了自由活塞斯特林发电机活塞气体轴承性能测试实验台，实验结果表明：a．在一定范围内，随着腔内压力的增大，活塞所受的摩擦力先不断减小后维持不变，存在对应的浮起压力；b．当腔内压力相同时，随着载荷增加，活塞所受的摩擦力不断增加，所对应的浮起压力也越大；c．轴承承载力及耗气量都随着气体轴承孔径的增加而增加，因此在实际应用中须要综合考虑实际轴承载荷和单向阀开启压力来选择合适的值．