耐磨損徑向滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬研究

高振軍，劉建瑞，常 浩

（1.江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 濱州市環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室（濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所），山東 濱州 256600）

耐磨損徑向滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬研究

高振軍1,2，劉建瑞1，常 浩1

（1.江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 濱州市環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室（濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所），山東 濱州 256600）

在磁力泵滑動軸承的實際設(shè)計過程中，應(yīng)該綜合考慮潤滑、冷卻、防止顆粒劃傷等因素，同時兼顧泵的效率要求?；谳S瓦內(nèi)側(cè)開設(shè)導(dǎo)流槽、軸瓦分布圓孔的設(shè)計思路，設(shè)計了11種不同結(jié)構(gòu)的磁力泵徑向滑動軸承，并對其進(jìn)行有限元計算，分析了不同結(jié)構(gòu)徑向滑動軸承的力學(xué)性能，初步總結(jié)了導(dǎo)流槽及軸瓦圓孔在自潤滑軸承設(shè)計中的應(yīng)用規(guī)律。

磁力泵；滑動軸承；數(shù)值模擬；研究

1 前言

磁力泵是一種無泄露泵，被抽送的液體被封閉在隔離套內(nèi)，無軸封問題，實現(xiàn)了泵的全密封、無泄漏，但是磁力泵的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套的間隙較小，軸承磨損到一定程度后，不僅產(chǎn)生噪音與振動，還會導(dǎo)致內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與隔離套發(fā)生變形和失效，造成介質(zhì)泄漏[1-2]，引發(fā)事故。因此,研究開發(fā)耐磨損、自潤滑性能好的滑動軸承成為磁力泵研究開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 徑向滑動軸承的設(shè)計

磁力泵滑動軸承的設(shè)計與泵結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)相關(guān)，磁力泵性能參數(shù)：流量Q=180m3/h，揚程H=45m，轉(zhuǎn)速n=2 900r/min，介質(zhì)65%乙二醇，溫度t= 22℃，密度ρ≈1 000kg?m-3。

該磁力泵滑動軸承采用孔槽分布式結(jié)構(gòu)，軸瓦分布圓孔，內(nèi)側(cè)開螺旋槽或?qū)Я鞑?其特點有：軸瓦上分布圓孔，在保證軸承強度的同時，減少了軸摩擦面積,提高了耐磨性能；軸瓦內(nèi)側(cè)開螺旋槽或直導(dǎo)流槽，有利于潤滑介質(zhì)的通過，不但確保滑動軸承自身的潤滑冷卻，同時還保證磁鋼轉(zhuǎn)子的冷卻；通過滑動軸承的循環(huán)液能將滑動軸承運行產(chǎn)生的熱量和隔離套內(nèi)磁渦流產(chǎn)生的熱量帶走，確保循環(huán)液體不汽化，確保動、靜配合的軸和軸承在熱膨脹后不抱死。該滑動軸承結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，安裝容易[3]。

磁力泵滑動軸承屬于導(dǎo)軸承的范疇，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮軸承的潤滑和散熱等因素，并盡量有利于潤滑膜的形成，減少磨損。

2.1 滑動軸承內(nèi)徑

軸承內(nèi)徑D主要由軸的結(jié)構(gòu)和所受極限壓力決定，初步設(shè)計考慮傳遞最大扭矩，軸承內(nèi)徑計算公式如下[4]：

式中：d——軸的直徑，m ；

Mn——軸的扭矩，N·m；

[τ]——材料的許用切應(yīng)力，Pa；

σ——軸承與軸之間間隙，mm。

2.2 軸承寬度

軸承寬度B一般按寬徑比B/D以及D來確定，B/D越大，則軸承的承載能力越強，但散熱性較差，溫升較高；B/D越小，摩擦功耗越小，軸承溫升較低，但承載能力較弱，軸瓦磨損較快。通常取B/D= 0.75～1.5。軸承材料采用SiC，取軸承寬度B=1.4D[5]。

2.3 軸瓦設(shè)計

因軸承散熱的需要，軸瓦厚度設(shè)計不宜太厚，外徑壁厚尺寸一般取b = 0.2D；軸瓦內(nèi)壁開設(shè)螺旋槽，螺旋槽的開設(shè)有利于潤滑介質(zhì)的通過以及潤滑膜的形成，螺旋槽尺寸的大小與滑動軸承內(nèi)徑D及選用的材料相關(guān)，其大小可由表1查得[6-8]。

表1 螺旋槽尺寸 mm

軸瓦分布圓柱孔，適當(dāng)增加圓孔半徑R和圓孔的數(shù)量n可以減小摩擦損失，提高軸承的耐摩性能，但R、n不宜取過大，否則會降低軸承強度。實際設(shè)計過程中需要根據(jù)軸承的寬度、軸瓦厚度及內(nèi)徑的大小適當(dāng)確定R、n的取值。

2.4 滑動軸承與軸的間隙

軸瓦與軸之間的間隙σ非常重要，如果間隙過小，液體介質(zhì)太薄，不易形成潤滑膜，影響磨損性能，不利于軸承的潤滑冷卻；另外，間隙太小，軸承磨損產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)，軸與軸承發(fā)生熱膨脹，易發(fā)生抱死現(xiàn)象[9-10]。如果間隙過大，冷卻循環(huán)流量過大，泵的泄漏量將會明顯增大，同時會降低泵的揚程，影響泵的效率。滑動軸承與軸間隙理論上取σ=0.01d。

2.5 軸承PV值校核

PV值間接地反映了軸承的溫升。對于載荷較大和速度較高的軸承，為保證工作時軸承不因過度發(fā)熱而產(chǎn)生膠合失效，PV值應(yīng)滿足以下條件：

式中：n——軸的轉(zhuǎn)速，r／min；

[PV]——軸瓦材料的許用值，MPa·m／s。

2.6 冷卻循環(huán)流量的的確定

根據(jù)磁力泵內(nèi)外磁鋼及前后導(dǎo)軸承、推力盤的功率消耗和循環(huán)液的允許溫升，即可以確定出循環(huán)液的流量。通常認(rèn)為循環(huán)流量約為泵設(shè)計流量的1%～5%。對小流量磁力泵來說，5%的泵設(shè)計流量作為冷卻循環(huán)液是不夠的。理論上可按下式計算[11]:

式中：q——冷卻循環(huán)液流量，m／n；

K1——內(nèi)外磁鋼產(chǎn)生的熱量，kJ/h ;

K2——前后導(dǎo)軸承產(chǎn)生的熱量，kJ/h ;

K3——前后推力盤產(chǎn)生的熱量，kJ/h;

K4——其他阻力元件產(chǎn)生的熱量，kJ/h;

Ρ——循環(huán)液的密度，kg/m3;

C——循環(huán)液的比熱，kJ/kg·℃;

△T——循環(huán)液的溫升，℃。

循環(huán)液的溫升一般≤3～7℃，其循環(huán)流量不得小于表 2的規(guī)定。對于易汽化的介質(zhì)建議循環(huán)液溫升≤1～2℃。

表2 磁力泵循環(huán)液流量

圖1 不同結(jié)構(gòu)的磁力泵徑向滑動軸承三維圖

2.7 不同結(jié)構(gòu)徑向滑動軸承三維圖

根據(jù)以上計算得到徑向滑動軸承的尺寸：D=30mm，B=42mm, b=8mm。利用Pro/E軟件繪出不同結(jié)構(gòu)的徑向滑動軸承的三維模型如圖1所示?；瑒虞S承材料選用SiC，密度3.1g/cm3，彈性模量390GPa，泊松比0.142。在ANSYS Workbench中建立滑動軸承的參數(shù)化模型，對求解域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，加載徑向載荷10kN,摩擦力矩30N，求解，并進(jìn)行后處理過程。

3 不同結(jié)構(gòu)的徑向滑動軸承有限元分析

3.1 導(dǎo)流槽形狀對結(jié)構(gòu)性能的影響

導(dǎo)流槽的開設(shè)有利于增加循環(huán)液流量，防止軸承溫度升高，并能及時帶走介質(zhì)中或摩擦產(chǎn)生的固體顆粒，防止劃傷軸承。導(dǎo)流槽開設(shè)不當(dāng)，會降低軸承強度，嚴(yán)重時會加速磨損，影響軸承使用壽命，所以合理地開設(shè)導(dǎo)流槽是徑向滑動自潤滑軸承的重點之一。由圖2及表3可知，開設(shè)導(dǎo)流槽，使徑向滑動軸承變形增大，等效應(yīng)力分布情況變差，其中方形和圓形導(dǎo)流槽應(yīng)力、變形差別不大，方形和圓形這兩種導(dǎo)流槽形狀差異對滑動軸承結(jié)構(gòu)的影響較小。螺旋形導(dǎo)流槽的開設(shè)，有利于冷卻潤滑性能的提高，但最大變形量出現(xiàn)在兩端螺旋槽切入部位，且應(yīng)力、變形量較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

3.2 圓孔排列方式對結(jié)構(gòu)性能的影響

圖2 不同導(dǎo)流槽形狀的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應(yīng)力分布云圖

表3 不同形狀導(dǎo)流槽的徑向滑動軸承應(yīng)力、變形分析

軸瓦開設(shè)圓孔，降低了軸與滑動軸承直接接觸的面積，在實際運行過程中，軸瓦圓孔內(nèi)布滿冷卻潤滑介質(zhì)，有利于潤滑膜的形成，防止滑動軸承邊界摩擦的情況出現(xiàn)，提高了軸承的冷卻潤滑性能。圓孔的開設(shè)降低了滑動軸承的強度，所以合理的開設(shè)圓孔，是徑向滑動軸承設(shè)計成功的關(guān)鍵因素之一。由圖3及表4可知，開設(shè)圓孔后，滑動軸承的最大變形量及最大等效應(yīng)力變大，等效應(yīng)力分布情況變差；圓孔排列方式的變化對最大變形量和最大等效應(yīng)力值的影響比較??；圓孔相間排列式徑向滑動軸承最大等效應(yīng)力比其他兩種結(jié)構(gòu)大，位于兩端及圓孔附近，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。

3.3 導(dǎo)流槽數(shù)量對結(jié)構(gòu)性能的影響

由圖4、表5可知，隨著導(dǎo)流槽數(shù)量的不斷增大，最大等效應(yīng)力不斷增大，滑動軸承力學(xué)性能下降。最大變形量及最大等效應(yīng)力的出現(xiàn)位置趨向于軸瓦兩端，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。導(dǎo)流槽數(shù)量越多，軸承的冷卻性能越好。過多開設(shè)導(dǎo)流槽，降低了滑動軸承強度，在實際生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)軸承破碎磨損現(xiàn)象，因此，合理的開設(shè)導(dǎo)流槽數(shù)量是滑動軸承設(shè)計的重點之一。

圖3 不同圓孔排列形狀的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應(yīng)力分布云圖

圖4 不同導(dǎo)流槽數(shù)量的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應(yīng)力分布云圖

3.4 組合式導(dǎo)流槽對結(jié)構(gòu)性能的影響

為了更好地冷卻潤滑軸承，將徑向滑動軸承設(shè)計成圓孔與直槽搭配或者是圓孔與螺旋槽搭配的結(jié)構(gòu)，利用螺旋槽或者直槽吸入更多流體來完成潤滑冷卻的作用，圓孔與槽組合式結(jié)構(gòu)更容易形成潤滑膜。在運行過程中，即使發(fā)生邊界摩擦，在摩擦過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒更容易被導(dǎo)流槽帶走，但是，由圖5及表6可知，采用孔與槽組合式結(jié)構(gòu)的徑向滑動軸承，最大變形量及最大等效應(yīng)力均增大，其中螺旋槽與孔組合式的結(jié)構(gòu)最明顯。方槽與孔組合式的最大變形及最大應(yīng)力出現(xiàn)在方槽附近的圓孔處，螺旋槽組合式的最大變形及最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在兩端螺旋槽切入部分。根據(jù)不同的使用場合選擇不同結(jié)構(gòu)的徑向滑動軸承。

表4 不同圓孔排列形狀的徑向滑動軸承應(yīng)力、變形分析

表5 不同導(dǎo)流槽數(shù)量的徑向滑動軸承應(yīng)力、變形分析

4 結(jié)束語

圖5 組合式徑向滑動軸承總變形云圖及等效應(yīng)力分布云圖

表6 兩種組合式徑向滑動軸承應(yīng)力、變形分析

基于磁力泵徑向滑動軸承冷卻、潤滑、磨損等實際情況的考慮，設(shè)計了11種不同結(jié)構(gòu)的磁力泵徑向滑動軸承，并用有限元數(shù)值模擬的方法對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究。分析了不用結(jié)構(gòu)下的磁力泵徑向滑動軸承的應(yīng)力、變形情況，初步總結(jié)了圓孔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)在磁力泵徑向滑動軸承設(shè)計中的應(yīng)用規(guī)律，對于開發(fā)設(shè)計耐磨損、冷卻效果好、使用壽命長的滑動軸承有著一定的實際意義。

[1]孔繁余,劉建瑞,施衛(wèi)東等.高速磁力泵滑動軸承的研究[J].潤滑與軸承，2006， 177(5):78-80.

[2]孔繁余,劉建瑞,施衛(wèi)東,袁新華等.F50C復(fù)合材料的磨損性能[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,27(5): 426-429.

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[4]李國坤，賈汝正，姬全勝．磁力傳動和磁力泵[J]．中國稀土學(xué)報，1994(12):524-537.

[5]孔繁余,劉建瑞,施衛(wèi)東等.高速磁力泵滑動軸承的研究[J].潤滑與軸承，2006， 177(5):78-80.

[6]成大先機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.1.

[7]楊俊,王雋,周旭輝等.水潤滑橡膠軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011,33（8）:103-107.

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（編輯：林小江）

Structure design and numerical simulation study for radial journal bearing with wear resistance

Gao Zhenjun1,2, Liu Jianrui1, Chang Hao1

(1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China; 2.Binzhou Key Laboratory of Environmental Engineering and Technology, Binzhou 256600, China)

In the actual design process of magnetic pump journal bearing, lubrication, cooling, preventing particles from scratch, etc. should be overall into account, at the same time, the effciency of the pump should be also into account .11kinds of different structural journal bearing were designed and simulated with finite element method based on the design ideas of openning diversion channel in inside of the bush, distribution round holes in bearing,and the mechanical properties of different structures of journal bearing were analyzed,and the application regularity of diversion trench and bearing round holes was summarized in the desidn of journal bearing.

magnetic pump; journal bearing;numerical simulation; study

TH 133.31

A

1672-4852（2015）02-0047-05

2015-05-22.

高振軍（1986-），男， 博士研究生.

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目資助（CXZZ13-0674），濱州市環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室開放基金項目（編號：bzhks201405）.