3種微織構(gòu)對徑向滑動軸承性能的影響

尹明虎，陳國定，高當成，王　琳

(西北工業(yè)大學機電學院，710072西安)

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3種微織構(gòu)對徑向滑動軸承性能的影響

尹明虎，陳國定，高當成，王琳

(西北工業(yè)大學機電學院，710072西安)

摘要:為揭示表面微織構(gòu)的幾何參數(shù)及分布特征對滑動軸承性能的影響，建立具有方形、圓柱形和三角形織構(gòu)的徑向滑動軸承三維有限元模型，在考慮空化效應和紊流影響的前提下，采用基于N－S方程的計算流體力學(CFD)技術(shù)對模型進行仿真，對比分析了不同微織構(gòu)形狀、分布位置、密度和尺寸下徑向滑動軸承的性能．結(jié)果表明:當微織構(gòu)布置在滑動軸承主要承載區(qū)時，可提高滑動軸承的承載能力，降低潤滑油流量和摩擦系數(shù);方形微織構(gòu)對滑動軸承承載能力的提升作用最大;存在一個最優(yōu)的織構(gòu)密度、寬度和寬深比，使軸承的承載能力最大．合理的微織構(gòu)設計可以有效提高滑動軸承的性能．

關(guān)鍵詞:織構(gòu);徑向滑動軸承;有限元方法;承載能力;摩擦系數(shù)

近年來，通過電解、激光等加工方式在摩擦副表面進行人工微造型的表面織構(gòu)技術(shù)，由于能夠有效改善摩擦副的潤滑性能而越來越受到人們的關(guān)注［1－2］．國內(nèi)外學者亦開始探索將表面織構(gòu)應用到滑動軸承，以改善其承載能力和潤滑性能．通過試驗手段研究表面織構(gòu)對滑動軸承性能影響的首推Sinanoglu等［3－4］的工作，他們試驗研究了軸頸開設的微織構(gòu)對滑動軸承壓力分布和承載能力的影響，試驗結(jié)果表明，合理的微織構(gòu)可以提升滑動軸承的承載能力．其后更多的學者通過理論方法分析了表面織構(gòu)對滑動軸承性能的影響．Nacer等［5－6］通過求解Reynolds方程分析了球形和圓柱形織構(gòu)對滑動軸承性能的影響，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)設計與軸承結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)關(guān)系密切，以及合理設計的微織構(gòu)可以提升滑動軸承性能的事實．Kango等［7］在考慮非牛頓流體的條件下求解Reynolds方程，也獲得了非牛頓流體潤滑條件下，微織構(gòu)能夠提升滑動軸承承載能力和潤滑性能的結(jié)果．Brizmer等［8］分析了球形織構(gòu)的分布位置和尺寸對滑動軸承承載能力的影響，并以承載能力最大為目標對球形織構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化．Ismail等［9］建立了考慮流體慣性效用的Reynolds方程，并以此為基礎(chǔ)對三角形狀和橢球形狀微織構(gòu)的滑動軸承性能進行了分析，指出微織構(gòu)布置方式的差異影響微織構(gòu)提升軸承承載能力和降低摩擦功耗的程度．林起崟等［10］以速度滑移邊界表征微織構(gòu)的作用，在二維尺度下分析了微織構(gòu)位置和長度對滑動軸承摩擦阻力和承載能力的影響，同樣發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)能夠提升滑動軸承性能．齊燁等［11］采用基于N－S方程的CFD方法，在二維尺度下分析了微織構(gòu)分布位置對滑動軸承承載能力的影響，李以農(nóng)等［12］也采用CFD方法分析了矩形織構(gòu)的尺寸和位置對滑動軸承性能的影響，結(jié)果表明將微織構(gòu)布置于軸承承載區(qū)有助于軸承承載能力的提升，以及存在一個使得軸承承載能力最大或摩擦系數(shù)最小的最優(yōu)微織構(gòu)分布密度．上述研究工作表明，在軸頸或軸瓦上合理地布置微織構(gòu)可以提升滑動軸承的摩擦學性能，滑動軸承性能的提升程度與微織構(gòu)的形狀、分布位置、密度、尺寸以及滑動軸承的結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)等因素相關(guān)．目前，國內(nèi)外有關(guān)織構(gòu)化滑動軸承特性的研究中，有些只是以單一結(jié)構(gòu)類型的微織構(gòu)為研究對象，有些則是基于Reynolds方程的數(shù)值分析，研究內(nèi)容尚缺乏宏觀系統(tǒng)性和通用普適性，研究結(jié)果的正確性亦因數(shù)學方程的簡化尚有待考證．

本文針對矩形、圓柱形和三角形微織構(gòu)結(jié)構(gòu)，采用基于N－S方程CFD技術(shù)，建立了織構(gòu)化徑向滑動軸承的三維數(shù)值分析模型，并進行了數(shù)值仿真，較為系統(tǒng)地分析了微織構(gòu)形狀、分布位置、密度和尺寸對徑向滑動軸承摩擦學性能的影響，以豐富和完善微織構(gòu)對滑動軸承性能影響的認識和理解．

1　仿真模型及控制方程

圖1為本文分析所涉及的滑動軸承和微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖．滑動軸承采用雙側(cè)供油，織構(gòu)沿軸承圓周方向的分布位置由織構(gòu)區(qū)起始角βa和終止角βb確定，Δβ為織構(gòu)區(qū)包角;本文分析涉及的織構(gòu)均沿軸承軸向方向?qū)ΨQ分布，定義織構(gòu)的周向分布長度l與軸瓦寬度B之比為織構(gòu)軸向分布率，用以確定織構(gòu)沿軸承軸向的分布位置;單個織構(gòu)的尺寸則由其寬度w和深度n確定．圖2為本文考慮的圓柱形、矩形和等邊三角形3種典型織構(gòu)形狀，織構(gòu)寬度w分別與3種織構(gòu)形狀下的直徑d、邊長a和高b相對應．某一確定位置處的織構(gòu)密度由織構(gòu)面積率s表征，織構(gòu)面積率s指單個織構(gòu)的周向截面面積占控制單元面積的比率，控制單元為相鄰織構(gòu)之間距中點圍成的虛擬矩形(圖3中虛線)，對于本文分析涉及的圓柱形、矩形和等邊三角形織構(gòu)，其織構(gòu)面積率分別為πd2/m2、4a2/m2和2asb/m2(as為等邊三角形織構(gòu)的邊長)．

分析中，滑動軸承直徑D=100 mm，寬徑比B/D=1．0，間隙比Ψ=0．002，潤滑油動力黏度μ=0．004 6 Pa·s、密度ρ=925．3 kg/m3．由于本文主要探討表面織構(gòu)對滑動軸承性能的影響，所以在整個分析中滑動軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)及潤滑油物性參數(shù)不變．采用前處理軟件Gambit進行織構(gòu)化滑動軸承流體域建模及網(wǎng)格劃分，單元形式為六面體單元，圖4給出了織構(gòu)化滑動軸承流體域的三維模型．

圖1　滑動軸承及微織構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　圓柱形、矩形等邊三角形微織構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　織構(gòu)面積率定義示意圖

圖4　織構(gòu)化滑動軸承流體域的三維模型

將模型導入Fluent軟件中進行仿真分析．分析中假設潤滑油為不可壓縮流體，不考慮流體與壁面間的熱交換及潤滑油的溫黏特性;采用Schnerr-Sauer模型模擬流場的空化效應;采用Realizible k－ε模型模擬流場的湍流效應;模型內(nèi)表面設置為旋轉(zhuǎn)壁面，以模擬軸頸的旋轉(zhuǎn)運動;外表面設置為固定壁面;模型端面設置為環(huán)境壓力，進油口處設置為進油壓力．

由于Reynolds方程忽略了流體的慣性力，低估了微織構(gòu)的壓力貢獻［13－14］，因此本文采用基于NS方程的CFD方法對織構(gòu)化徑向滑動軸承進行性能分析，N－S方程的表達式為

式中: t為時間; u為流體速度; F為單位質(zhì)量流體上的質(zhì)量力; p為流體壓強．

采用SIMPLE算法對壓力/速度耦合進行求解，收斂精度為10－5．獲得軸承油膜的壓力、切應力和速度分布后，可由壓力對面積的積分求得軸承的油膜承載力為

軸承油膜的摩擦力可由切應力對面積的積分求得:

軸承油膜的摩擦因數(shù)即為摩擦力與承載力之比:

潤滑油流量可由出口處速度對面積的積分求得:

2　模型驗證

模型的網(wǎng)格質(zhì)量和密度是保證計算結(jié)果準確性的關(guān)鍵，為了確定合理的單元網(wǎng)格數(shù)量，本文開展了多種單元網(wǎng)格數(shù)量的織構(gòu)化滑動軸承性能計算．計算結(jié)果如表1所示．由表1可以看出，當單元網(wǎng)格數(shù)目達到779 600后，計算結(jié)果的差異很小，因此本文后續(xù)計算中的網(wǎng)格數(shù)量均＞779 600．

表1　不同網(wǎng)格數(shù)量下滑動軸承特性計算結(jié)果

采用本文方法分別對文獻［15］的兩平板間二維織構(gòu)、文獻［16］的三維織構(gòu)化滑塊軸承和文獻［17］的三維光滑滑動軸承進行計算，將計算結(jié)果與原文結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖5、表2、3所示．對比結(jié)果表明，采用本文方法計算出的結(jié)果與相關(guān)文獻的結(jié)果基本吻合，表明了本文的織構(gòu)化滑動軸承性能計算方法的正確性．

圖5　本文方法計算結(jié)果與文獻［15］結(jié)果對比

表2　本文方法計算結(jié)果與文獻［16］結(jié)果對比

表3　本文方法計算結(jié)果與文獻［17］結(jié)果對比

3　計算結(jié)果與分析

3．1織構(gòu)分布特征對滑動軸承性能的影響

織構(gòu)分布特征由織構(gòu)周向分布位置和軸向分布率表征．織構(gòu)周向分布位置由βa和βb確定(如圖6所示)，織構(gòu)軸向分布率σ為織構(gòu)區(qū)軸向?qū)挾萳與軸承寬度B之比(即σ=l/B)．

圖6　織構(gòu)周向分布位置示意圖

圖7給出了采用方形織構(gòu)、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、織構(gòu)軸向分布率σ=0．60、織構(gòu)面積率s=0．44時，織構(gòu)周向分布位置對滑動軸承的最大油膜壓力pmax、承載量Fs、潤滑油流量Q及摩擦因數(shù)f的影響．從圖7可以看出，在滑動軸承軸瓦表面的任意位置布置微織構(gòu)，最大油膜壓力均有不同程度的降低，這是因為布置微織構(gòu)后增加了油膜厚度所致;但對于微織構(gòu)布置在主要承載區(qū)位置II處的情況，雖然微織構(gòu)降低了該位置處的最大油膜壓力，但由于微織構(gòu)產(chǎn)生的額外動壓效應［14］，總體上還是提升了滑動軸承的承載能力，由于該位置處的軸承承載力增加，但摩擦阻力變化不大，因此油膜的摩擦因數(shù)得以降低;另外，微織構(gòu)的存在一方面增加了油膜厚度，從而造成流量的升高，但另一方面也降低了最大油膜壓力，使得沿軸向方向的壓力梯度減小，從而減小軸承端泄，織構(gòu)這兩種效應的綜合作用導致了圖7所示的潤滑油流量先降低后增加之趨勢．

圖7　方形織構(gòu)周向分布位置對滑動軸承性能的影響

圖8給出了采用方形織構(gòu)、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、織構(gòu)面積率s=0．44、微織構(gòu)周向布置于位置II處時，織構(gòu)軸向分布率對滑動軸承性能的影響．從圖8可以看出，隨著織構(gòu)軸向分布率的增加，滑動軸承的承載能力呈先增大后減小的趨勢，這是由于雖然微織構(gòu)提供的額外動壓效應能一定程度上提升軸承的承載能力，但當微織構(gòu)的軸向分布率較小或過大時，微織構(gòu)對承載力的提升程度不足以彌補其降低油膜壓力所帶來的負面作用，這表明存在一個最佳的織構(gòu)軸向分布率，使得滑動軸承的承載能力最大;而流量呈現(xiàn)出的先增大后減小的趨勢，亦是由織構(gòu)具有增加油膜厚度和降低最大油膜壓力的雙重作用所導致的．

3．2織構(gòu)形狀對滑動軸承性能的影響

圖9給出了微織構(gòu)周向布置于位置II處、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、織構(gòu)軸向分布率σ=0．60、織構(gòu)面積率s=0．44時，織構(gòu)形狀對滑動軸承性能的影響．從圖9可以看出，雖然3種織構(gòu)都布置在承載區(qū)，但是對滑動軸承的性能影響卻相去甚遠，由于在本文結(jié)構(gòu)和工況條件下，方形織構(gòu)對軸承油膜壓力的降低程度最小，因此只有方形織構(gòu)提升了滑動軸承的承載能力．考慮到文獻［6］曾經(jīng)獲得了圓形織構(gòu)可提升滑動軸承承載能力的結(jié)果(織構(gòu)分布位置、尺寸及工況參數(shù)均與本文不同)，表明滑動軸承性能的提升有賴于微織構(gòu)形狀和分布的合理匹配．

圖8　織構(gòu)軸向分布率對滑動軸承性能的影響

圖9　織構(gòu)形狀對滑動軸承性能的影響

3．3織構(gòu)密度對滑動軸承性能的影響

圖10給出了微織構(gòu)周向布置于位置II處，采用方形織構(gòu)、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、織構(gòu)軸向分布率σ=0．60時，織構(gòu)密度對滑動軸承性能的影響．從圖10可以看出，在織構(gòu)面積率由0．25增加至0．64的過程中，織構(gòu)對滑動軸承承載能力的提升效果逐漸增強，摩擦因數(shù)也逐漸降低，這表明在可提升滑動軸承性能的位置處，增大織構(gòu)密度有助于提升滑動軸承性能，但織構(gòu)密度的增加也會給加工帶來困難，因此應根據(jù)實際情況確定合理的織構(gòu)密度．

圖10　織構(gòu)面積率對滑動軸承性能的影響

3．4織構(gòu)寬度對滑動軸承性能的影響

圖11給出了微織構(gòu)周向布置于位置II處，采用方形織構(gòu)、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/mi、織構(gòu)軸向分布率σ=0．60時，織構(gòu)寬度對滑動軸承性能的影響．從圖11可以看出，在織構(gòu)寬度由0．5 mm增加至2 mm的過程中，滑動軸承的承載能力逐漸下降，摩擦因數(shù)先降低后增大．這表明滑動軸承在提升承載能力和降低摩擦功耗之間，存在著一個織構(gòu)寬度的選擇問題．

3．5織構(gòu)寬深比對滑動軸承性能的影響

織構(gòu)寬深比λ為織構(gòu)寬度w與深度n之比．圖12給出了在位置II處，采用方形織構(gòu)、偏心率ε=0．8、偏位角θ=30°、轉(zhuǎn)速n=10 000 r/min、織構(gòu)軸向分布率σ=0．60、織構(gòu)面積率s=0．44時，織構(gòu)寬深比對滑動軸承性能的影響．從圖12可以看出，在織構(gòu)寬深比由20增加至60的過程中，滑動軸承的承載能力逐漸增強，摩擦因數(shù)逐漸降低．這表明適當增加微織構(gòu)的寬度或減小其深度，可提升滑動軸承的性能，這與文獻［5］所得結(jié)論是一致的．但有些文獻的研究結(jié)果表明油膜承載能力隨寬深比的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即存在一個最優(yōu)寬深比使得油膜承載能力最大［15］．造成上述差異的原因是本文采用的織構(gòu)形式、分布位置、尺寸及工況條件等均與其他文獻不同，但作者對這些文獻得出的結(jié)論表示認同．因為當織構(gòu)寬深比很大時，即織構(gòu)的寬度遠大于其深度時，可將該軸承視為光滑滑動軸承，其承載能力必低于具有合理寬深比的織構(gòu)化滑動軸承;而當織構(gòu)寬深比很小時，即織構(gòu)的寬度遠小于其深度時，油膜厚度的急劇增加必將導致軸承承載能力的降低．

圖11　織構(gòu)寬度對滑動軸承性能的影響

圖12　織構(gòu)寬深比對滑動軸承性能的影響

4　結(jié)　論

1)無論在滑動軸承瓦面上的任何位置布置微織構(gòu)，均會降低滑動軸承的最大油膜壓力，但當微織構(gòu)布置于滑動軸承主要承載區(qū)時，可提高滑動軸承的承載能力，降低其潤滑油流量和摩擦因數(shù)．

2)微織構(gòu)形狀對滑動軸承性能的影響差異較大，就本文的研究來看，方形微織構(gòu)對滑動軸承承載能力的提升作用最大，但還是應當指出，滑動軸承性能的提升有賴于微織構(gòu)形狀和分布的合理匹配．

3)當微織構(gòu)布置于有利于提升滑動軸承性能的位置時，存在一個最優(yōu)的織構(gòu)軸向分布率、織構(gòu)密度、織構(gòu)寬度和織構(gòu)寬深比，使得滑動軸承的承載能力最大，摩擦因數(shù)最?。?/p>

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(編輯楊波)

Effects of three types of surface texture on the performances of journal bearing

YIN Minghu，CHEN Guoding，GAO Dangcheng，WANG Lin
(School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，710072 Xi’an，China)

Abstract:To reveal the effects of surface texture on the performances of journal bearings，the three-dimensional models of journal bearing with circular，squared and triangular texture are built．The models are simulated with CFD method based on the Navier-Stokes equation considering the cavitation effect and turbulence effect，and the performances of journal bearings with different texture shape，location，density and geometry are analyzed．The results show that，when the surface texture is distributed in load carrying region，the load carrying capacity of journal bearing can be improved，the fluid flow and friction coefficient can be reduced and the bearing with squared texture has a better load carrying capacity．There is an optimal combination of density，width and width-depth ratio of texture for the journal bearing to reach the largest load carrying capacity．

Keywords:texture; journal bearings; finite element method; load carrying capacity; friction coefficient

通信作者:尹明虎，yinminghuyes@ sina．com．

作者簡介:尹明虎(1985—)，男，博士研究生;陳國定(1956—)，男，教授，博士生導師．

基金項目:航空科學基金(20140453008)．

收稿日期:2014－10－14．

doi:10．11918/j．issn．0367-6234．2016．01．024

中圖分類號:TH117．2

文獻標志碼:A

文章編號:0367－6234(2016) 01－0159－06