軸向槽對(duì)水潤(rùn)滑軸承承載能力的影響

毛福考　陳俐　陳萬(wàn)宏

摘 要： 本文以賽龍軸承為例，應(yīng)用COMSOL軟件分別對(duì)帶軸向槽和不帶軸向槽兩型水潤(rùn)滑軸承的水膜厚度、壓力分布、軸承承載力等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與對(duì)比，分析軸向槽對(duì)水潤(rùn)滑軸承負(fù)載能力的影響。

關(guān)鍵詞： 水潤(rùn)滑軸承；軸向水槽；承載能力

中圖分類號(hào)：U664.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In this paper， elastic plastic bearings are taken as an example to calculate and comparethe water film thickness， pressure distribution and the load capacity of water lubricated journal bearingswith axial groove and without axial groove respectively with the COMSOL software. The effect of axial groove on the load capacity of water lubricated journal bearing is analyzed.

Key words： Water-lubricated journal bearing； Axial Water groove； Load capacity

1 概述

水潤(rùn)滑軸承與油潤(rùn)滑軸承相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，為此采用水潤(rùn)滑軸承的船舶逐漸增多。為了保證軸承能夠充分潤(rùn)滑與散熱，往往需對(duì)水潤(rùn)滑軸承開(kāi)軸向水槽，但開(kāi)槽后軸承承載面積減少，承載能力有所降低。為了探討這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸承開(kāi)槽與否及水槽數(shù)目等作了一些研究，但對(duì)水膜厚度、水槽結(jié)構(gòu)尺寸等對(duì)承載能力的影響尚未進(jìn)行深入的探討。本文基于數(shù)值分析方法，應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)軸向開(kāi)槽與不開(kāi)槽水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑情況進(jìn)行理論分析與比較，探討水槽對(duì)軸承性能的影響。

2 水潤(rùn)滑軸承的數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)流體潤(rùn)滑理論，推導(dǎo)出三維Reynolds 方程[2]如下：

2.2 邊界條件

本文選用 Reynolds 邊界條件加以計(jì)算，Reynolds 邊界條件認(rèn)為液膜在軸承間隙內(nèi)不是連續(xù)的，液膜在軸承擴(kuò)散區(qū)的某處隨著負(fù)壓的增大而自然破裂，即破裂位置在經(jīng)過(guò)最小液膜厚度 hmin之后的某一角度 處。

以Reynolds邊界條件為前提進(jìn)行數(shù)值計(jì)算：

（1）軸承軸向兩端y=±L/2，P=0；軸承周向上潤(rùn)滑水膜起始邊為：φ=0，p=0；終止邊為：p=0， ；

（2）水膜在軸承內(nèi)不連續(xù)，但壓強(qiáng)連續(xù)分布。壓強(qiáng)曲線始點(diǎn)在M0處，即最大水膜厚度處；壓強(qiáng)曲線終點(diǎn)在M1處，即最小水膜厚度后某一位置；而最大壓強(qiáng)在M2處，這兩點(diǎn)對(duì)于偏心線OC對(duì)稱分布，OC與豎直方向上的夾角即為軸承的偏位角γ，如圖1所示；

（3）軸向開(kāi)槽的徑向軸承在水槽處壓力為 0。

2. 3 約束條件

（1）假設(shè)軸承為剛性，軸在軸承中順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軸承固定在基座上。軸在軸向沒(méi)有位移，在周向由于偏心的作用會(huì)發(fā)生位移；

（2）假設(shè)施加的載荷為集中載荷，其施加在軸的中間位置；

（3）假設(shè)水膜厚度在強(qiáng)壓下可以無(wú)限薄，軸承與軸始終不接觸。

3 軸承開(kāi)槽與不開(kāi)槽的潤(rùn)滑特性計(jì)算與分析

以某剛性軸承為例，利用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析，其參數(shù)見(jiàn)表1。在轉(zhuǎn)速v=5 m/s和載荷比壓p=0.3 MPa時(shí)，計(jì)算不開(kāi)槽軸承和開(kāi)槽軸承的液膜厚度及壓力分布并進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖2～5。

由圖2和圖4可以看出：（1）不開(kāi)槽軸承內(nèi)的水膜壓力分布方向從軸承上部豎直方向開(kāi)始呈現(xiàn)兩邊低、中間高的拋物線趨勢(shì)，局部最大壓力存在于周向180°軸承中部附近；（2）開(kāi)槽軸承只在槽與槽之間的板條部分才有水膜壓力分布，拋物線趨勢(shì)在軸向方向上沒(méi)有不開(kāi)槽軸承明顯。在第5個(gè)水槽之后軸承內(nèi)壓力降到幾乎為0。同時(shí)，軸承內(nèi)的局部最大壓力超過(guò)1 MPa，而不開(kāi)槽軸承的局部最大壓力只有0.7 MPa。這是因?yàn)檩S承內(nèi)水槽的存在導(dǎo)致軸承承載有效面積減小，導(dǎo)致局部最大壓力增大。

由圖3和圖5可以看出：（1）不開(kāi)槽軸承內(nèi)的最小水膜厚度和局部最大壓力的位置不相同，局部最大壓力出現(xiàn)在最小水膜厚度前面某處；（2）開(kāi)槽軸承由于水槽的存在，導(dǎo)致水槽處水膜無(wú)法形成，軸承表面的潤(rùn)滑區(qū)域出現(xiàn)間斷區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的分布位置和大小由水槽數(shù)目與寬度來(lái)決定。同時(shí)，由于水槽的存在使得軸承壓力變大，水膜厚度與不開(kāi)槽軸承相比在減小。

4 長(zhǎng)徑比對(duì)水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑特性的影響

假設(shè)載荷為0.3 MPa，轉(zhuǎn)速變化范圍為1～10 m/s，軸承內(nèi)徑一定時(shí)，計(jì)算不同長(zhǎng)徑比下軸承性能的差異，計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出：（1）相同長(zhǎng)徑比的軸承，隨著轉(zhuǎn)速的提高，最大水膜壓力減小，最小水膜厚度變大；（2）在相同的轉(zhuǎn)速下，軸承內(nèi)徑一定時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的變大，最大水膜壓力和最小水膜厚度并不是呈現(xiàn)單調(diào)性變化。在長(zhǎng)徑比達(dá)到1之前，最大水膜壓力隨著長(zhǎng)徑比的變大而減小，最小水膜厚度隨著長(zhǎng)徑比的變大而變大；長(zhǎng)徑比為1時(shí)，最大水膜壓力最小，最小水膜厚度最大；長(zhǎng)徑比大于1時(shí)，最大水膜壓力隨著長(zhǎng)徑比的變大而變大，最小水膜厚度則隨著長(zhǎng)徑比的變大而減小。

5 結(jié)論

上述計(jì)算結(jié)果表明，帶軸向槽與不帶軸向槽的水潤(rùn)滑軸承相比，其承載能力有較大差異：

（1）軸向開(kāi)槽水潤(rùn)滑徑向軸承壓力分布不連續(xù)，水槽處壓力降低為0，槽與槽之間的水膜厚度和壓力分布滿足Reynolds分布；

（2）軸承開(kāi)槽后承載力降低，在同樣載荷下局部壓力增大，對(duì)水膜的形成產(chǎn)生影響；

（3）軸承的長(zhǎng)徑比與軸承的壓力分布和水膜厚度不呈單調(diào)性變化，軸承在長(zhǎng)徑比為1時(shí)，最大水膜壓力最小，最小水膜厚度最大，此時(shí)的潤(rùn)滑性能較好。

參考文獻(xiàn)

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