油膜軸承啟/制動(dòng)階段的溫度特性研究

姜宏偉，李璞，王建梅，孟凡寧

(1.太原重工技術(shù)中心，太原 030024；2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

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油膜軸承啟/制動(dòng)階段的溫度特性研究

姜宏偉1，李璞2，王建梅2，孟凡寧2

(1.太原重工技術(shù)中心，太原 030024；2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

為了揭示油膜軸承在啟/制動(dòng)階段的溫度特性，獲得更好的運(yùn)行性能，綜合考慮粘壓效應(yīng)、彈性變形效應(yīng)和擠壓油膜效應(yīng)，結(jié)合油膜軸承實(shí)際運(yùn)行邊界條件，建立了時(shí)變彈流潤(rùn)滑雷諾方程；通過潤(rùn)滑油工業(yè)測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)不同軋制工況下的油膜軸承溫度進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)合理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了在靜-動(dòng)壓?jiǎn)?dòng)和動(dòng)壓?jiǎn)?dòng)下的溫度曲線，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析計(jì)算的正確性，為啟/制動(dòng)階段油膜的形成和破壞機(jī)理提供了參考。

油膜軸承；啟制動(dòng)階段；溫度特性；時(shí)變彈流潤(rùn)滑

油膜軸承廣泛應(yīng)用于航天、核工、大型水利水電、重型機(jī)械等領(lǐng)域，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于潤(rùn)滑油良好的潤(rùn)滑性能，而工作溫度特性又是影響其潤(rùn)滑性能的關(guān)鍵因素之一[1-3]。在實(shí)際研究中，一方面考慮溫度效應(yīng)的潤(rùn)滑理論尚不完善，在實(shí)際應(yīng)用中還存在商榷的地方，另一方面低速重載工況下，在啟/制動(dòng)階段油膜的形成和破壞機(jī)理尚不清楚[4]。而在實(shí)際使用過程中，軸承因溫升產(chǎn)生的惡化工況，甚至燒瓦現(xiàn)象還時(shí)有發(fā)生。

近年來國內(nèi)外許多學(xué)者就如何提高滑動(dòng)軸承運(yùn)行性能做了大量的研究。黃慶學(xué)[5]探究了油膜軸承偏載、軋輥彎曲等因素對(duì)軸承燒瓦的影響。王淼[6]給出了不同油品在相同工況下的溫度特性。張帆[7]建立了有限元和Fortran相結(jié)合的橢圓軸承熱彈流雷諾方程，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。祁廣寶[8]通過對(duì)溫度場(chǎng)的仿真模擬分析了溫度的變化，油膜軸承配合改進(jìn)方案取得了良好的效果；Thomas[9]對(duì)Danoil油膜軸承穩(wěn)態(tài)下的油膜厚度、變形、壓力進(jìn)行了分析；Jianmei Wang[10]對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度下粘溫特性進(jìn)行了數(shù)值解析和實(shí)驗(yàn)研究，表明磁場(chǎng)強(qiáng)度可以補(bǔ)償由溫度提高帶來的粘度降低；Moreno Nicolás JA[11[12]探討了油槽位置的變化在對(duì)軸承溫度和壓力的影響；F.P. Brito[13]進(jìn)一步表明流量平衡控制對(duì)提高雙油槽油膜軸承性能的重要性；D.S. Rao[14]表明較大的油楔尺寸和長(zhǎng)徑比有助于提高三油楔油膜軸承的穩(wěn)定性；Amira Amamou[15]運(yùn)用數(shù)值延拓方法對(duì)油膜軸承進(jìn)行了非線性分析，并預(yù)測(cè)了軸承的穩(wěn)定性邊界；S.K. Guha[16]線性分析了靜壓多孔軸承，并獲得了穩(wěn)定性參數(shù)。

以上研究從不同角度對(duì)油膜軸承性能進(jìn)行了研究，但是均沒有對(duì)啟/制動(dòng)階段的溫度特性予以探討。本文基于油膜軸承潤(rùn)滑油工業(yè)測(cè)試試驗(yàn)，通過對(duì)比分析在靜-動(dòng)壓?jiǎn)?dòng)和動(dòng)壓?jiǎn)?dòng)下的溫度特性曲線，闡明擠壓油膜作用效應(yīng)，同時(shí)，通過數(shù)值計(jì)算考慮粘壓效應(yīng)、彈性變形效應(yīng)及擠壓油膜效應(yīng)的時(shí)變彈流潤(rùn)滑方程，對(duì)啟制動(dòng)階段的溫度特性進(jìn)行了分析，最后試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

1 時(shí)變彈流潤(rùn)滑理論

油膜軸承工作原理如圖1所示。軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生卷吸現(xiàn)象，潤(rùn)滑油經(jīng)收斂間隙產(chǎn)生油膜壓力。

圖1 油膜軸承的工作原理

Fig.1 Work schematic of oil-film bearing

為了全面研究靜壓作用對(duì)軸承溫升的影響，應(yīng)用彈流潤(rùn)滑理論對(duì)溫度、膜厚、流量等動(dòng)壓潤(rùn)滑特性進(jìn)行分析。所謂“彈性”是指粘壓效應(yīng)和彈性變形效應(yīng)，即粘度因壓力升高而增大，接觸面域因固體彈性變形而變大。所謂彈流潤(rùn)滑方程，即包括雷諾方程、考慮彈性變形的膜厚方程、粘壓方程及承載力方程。

1.1 雷諾方程

考慮到啟動(dòng)和制動(dòng)階段油膜擠壓效應(yīng)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，則雷諾方程的基本形式如下：

(1)

式中 P——油膜壓力，h——油膜厚度，U——軋輥轉(zhuǎn)速，ρ——潤(rùn)滑油密度，η——潤(rùn)滑油粘度。

1.2 膜厚方程

考慮到油膜厚度量級(jí)較小及接觸表面對(duì)其影響較大，故而彈性變形因素不可忽視。依據(jù)彈性力學(xué)接觸理論，彈性變形方程可以寫作如下：

(2)

式中，R——所求點(diǎn)到受載區(qū)域中點(diǎn)的距離；

λ,μ——拉梅系數(shù)。

則考慮彈性變形的膜厚方程為：

h=c(1+εcosα)+δelastic

(3)

式中c——半徑間隙,ε——偏心率,α——偏位角。

1.3 粘壓方程

考慮到流動(dòng)液體的可壓縮性，即潤(rùn)滑油的粘度是變化的，使用表征粘度、壓力、溫度關(guān)系的Roelands公式為：

η=η0exp{(lnη0+9.67)[(1+5.1×10-9P)Z×

(4)

1.4 承載力方程

通過對(duì)軸承承載區(qū)的油膜壓力積分，可得沿x,y 方向上的軸承承載力分量，公式如下：

(5)

則油膜軸承的承載力為：

(6)

2 潤(rùn)滑油性能工業(yè)測(cè)試試驗(yàn)

油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。其中試驗(yàn)裝置部分主要由左右側(cè)的動(dòng)靜壓支撐軸承和中間的動(dòng)壓試驗(yàn)軸承組成。通過對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力設(shè)置，完成液壓缸對(duì)試驗(yàn)軸承加載力的設(shè)定；通過上位機(jī)向PLC傳輸指令，完成直流調(diào)速器控制直流電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速的設(shè)定。主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)由安裝在試驗(yàn)軸承上的溫度、壓力、膜厚傳感器進(jìn)行采集。通過設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速及軋制力，完成油膜軸承軋制工況的運(yùn)行。

圖2 油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)

Fig.2 The oil-film bearing test platform

圖3、圖4分別顯示了油膜軸承的剖分結(jié)構(gòu)圖和承載區(qū)溫度傳感器、壓力傳感器的布置圖，其中紅色圓點(diǎn)代表溫度傳感器，藍(lán)色圓點(diǎn)代表壓力傳感器。試驗(yàn)以長(zhǎng)城220潤(rùn)滑油為介質(zhì)，入口油壓設(shè)定為0.08～0.12 MPa，入口油溫設(shè)定為40 ℃.

圖3 油膜軸承結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 The oil-film structure

圖4 承載區(qū)溫度傳感器、壓力傳感器的布置圖

Fig.4 The distribution of temperature sensor and pressure sensor in the load-carrying area

3 結(jié)果分析及討論

在啟動(dòng)、制動(dòng)階段，根據(jù)動(dòng)壓試驗(yàn)軸承溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)，分別繪制工況150 rpm-6 MPa和300 rpm-6 Mpa在有無靜壓作用下的啟動(dòng)溫升對(duì)比曲線和制動(dòng)溫降對(duì)比曲線，如圖5、圖6所示。

圖5 啟動(dòng)階段有無靜壓作用下的溫升對(duì)比

Fig.5 The contrast of temperature rise under hydrostatic and non-hydrostatic pressure in the start-up stage

圖6 制動(dòng)階段有無靜壓作用下的溫降對(duì)比

Fig.6 The contrast of temperature drop under hydrostatic and non-hydrostatic pressure in the braking stage

由圖5可知，在啟動(dòng)階段，上述兩種工況在無靜壓作用時(shí)的溫升均高于有靜壓作用時(shí)的溫升。圖6則表明在制動(dòng)階段無靜壓作用時(shí)的溫降均大于有靜壓作用時(shí)的溫降。

由彈流潤(rùn)滑理論可知，在啟動(dòng)、制動(dòng)階段，動(dòng)壓油膜擠壓效應(yīng)是影響溫升的主要因素。在無靜壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，隨加載力增大，動(dòng)壓試驗(yàn)軸承油膜厚度急劇減薄，甚至可能發(fā)生邊界摩擦及干摩擦現(xiàn)象，致使液體內(nèi)部摩擦加劇，熱量增加；而有靜壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，隨加載力增大，在靜壓站壓力自調(diào)節(jié)功能作用下，油膜厚度緩慢變化，液體內(nèi)部摩擦產(chǎn)熱較無靜壓時(shí)少。在制動(dòng)階段，隨加載力減小，油膜厚度逐漸增加，由于靜壓作用對(duì)軋輥的“托舉”力，使得油膜厚度增加緩慢，液體內(nèi)部摩擦較無靜壓時(shí)多。

同時(shí)，由于啟動(dòng)和制動(dòng)階段時(shí)間較短，靜壓油溫對(duì)油箱溫度的影響微乎其微，即對(duì)動(dòng)壓試驗(yàn)軸承入口油溫的影響甚小，可以不予考慮。因此，啟動(dòng)和制動(dòng)階段膜厚對(duì)溫度的影響起主要作用，兩種階段下，無靜壓作用時(shí)的溫升和溫降均較高。

由此可見，在啟動(dòng)和制動(dòng)階段，由于油膜的擠壓效應(yīng)，膜厚成為影響溫度變化的主要因素。相較于無靜壓?jiǎn)?dòng)，靜壓作用對(duì)軋輥的“托舉”力保證了液體摩擦所需的膜厚，有利于防止邊界摩擦及干摩擦現(xiàn)象，使得軸承具有啟動(dòng)能耗低、溫升小的優(yōu)點(diǎn)。在制動(dòng)階段，由于靜壓對(duì)軋輥的“托舉”力，使得軸承溫降較小，不利于軸承的散熱。

此外，圖中數(shù)據(jù)也表明，隨轉(zhuǎn)速的增加，啟動(dòng)階段的溫升逐漸增加，而有靜壓和無靜壓溫升曲線之間的差值則逐步減?。恢苿?dòng)階段的溫降及有靜壓和無靜壓溫降曲線之間的差值均逐漸變大。

為了更好的揭示油膜軸承在啟/制動(dòng)階段的溫度特性，分析膜厚對(duì)其影響作用，分別選取上述兩種工況在有無靜壓作用下的溫度為研究對(duì)象，如圖7所示。

由圖7可知，在運(yùn)行初期兩條曲線相交，在交點(diǎn)之前，無靜壓溫度較高，這是由于啟動(dòng)加載階段溫升造成；在交點(diǎn)之后，有靜壓溫度較高，且隨時(shí)間增加，兩曲線的溫度差逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。對(duì)于圖7所示具體工況，分析式(1)、式(4)可知，在相同轉(zhuǎn)速和加載力的工況下，膜厚是影響溫度及其它動(dòng)壓潤(rùn)滑特性的直接因素。膜厚減薄，液體內(nèi)部摩擦加劇，產(chǎn)熱增多，最終致使溫度升高。

為了進(jìn)一步表明膜厚在啟/制動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段的影響，運(yùn)用彈流潤(rùn)滑理論對(duì)各工況下的偏心率、偏位角、膜厚進(jìn)行數(shù)值求解。如表1所示，為不同工況下的最小膜厚對(duì)比。比較相同工況下的最小膜厚可知，靜壓作用下的試驗(yàn)軸承膜厚并未出現(xiàn)一致減薄現(xiàn)象，而圖4所示的有靜壓溫升卻出現(xiàn)一致升高現(xiàn)象，這表明這一階段膜厚不再起影響有靜壓溫升較高的主要影響作用。這由表1、式(3)可知，膜厚大小不僅受偏心率的影響，還受到偏位角的制約，任意一者發(fā)生改變均會(huì)引起膜厚的變化。

圖7 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段的有無靜壓溫度對(duì)比

Fig.7 The temperature contrast between hydrostatic and non-hydrostatic pressure in the stable operation period

表1 不同工況下的最小膜厚

Tab.1 The minimum film thickness under different working conditions

工況rpm-Mpa有靜壓無靜壓偏心率偏位角最小膜厚/μm偏心率偏位角最小膜厚/μm100-60.9050.2489.5010.9050.2489.501150-60.8700.26513.0080.8550.35614.667200-60.8200.39218.0100.8300.38217.001300-60.7750.43922.5160.7900.42421.001

為了證明上述理論分析計(jì)算的正確性，以工況100 r/min-6 MPa和150 r/min-12 MPa中的油膜壓力為研究對(duì)象，對(duì)比分析了理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。由表可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果在工程誤差允許的范圍內(nèi)，數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果是可靠的。

表2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

Tab. 2 The contrast between numerical calculation results and experimental result

100r/min-6MPa150r/min-12MPaP1P2P3P1P2P3P/MPa1.5800.6680.3042.0661.1370.365T/MPa1.5450.6990.3162.1721.1660.349ε/%2.34.43.84.92.54.6

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)油膜軸承啟/制動(dòng)階段的力學(xué)行為，考慮粘壓效應(yīng)、彈性變形效應(yīng)及擠壓油膜效應(yīng)，建立了時(shí)變彈流潤(rùn)滑理論，并通過油膜軸承壓力測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

(2) 擠壓油膜效應(yīng)在啟/制動(dòng)階段對(duì)溫度起主要影響作用，而在穩(wěn)定運(yùn)行階段靜壓效應(yīng)則起主要影響作用。

(3) 基于潤(rùn)滑油工業(yè)測(cè)試試驗(yàn)，通過理論分析計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，闡明擠壓油膜作用機(jī)理，揭示了油膜軸承在啟/制動(dòng)階段的溫度特性。

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Research on Temperature Property of Oil-film Bearing at Start/stop Phase

JIANG Hong-wei1, LI Pu2, WANG Jian-mei2, MENG Fan-ming2

(1.Taiyuan Heavy Machinery Group Technology Center, Taiyuan 030024, China; 2.School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to reveal temperature property of oil-film bearing at start/stop phase, and get better operating performance, considering viscous pressure effect, the elastic deformation effect and the effect of the squeeze oil film, and combining with the actual boundary conditions of oil-film bearing, a time-dependent elasto-hydrodynamic lubrication Reynolds equation was established. Through the industrial test of lubricating oil under different rolling conditions, the data of oil-film bearing temperature were obtained. Based on the theory and experiment data, temperature curve between static-dynamic pressure startup stage and dynamic pressure startup phase was compared and analyzed, and the correctness of the theoretical analysis was verified by experiment, which will provide reference for the formation and destruction mechanism of oil film at start/stop phase.

oil-film bearing， start/stop phase， temperature property， time-dependent elasto-hydrodynamic lubrication

1673-2057(2016)06-0475-06

2015-12-25

山西省自然基金(201601D011049) ;山西省專利推廣實(shí)施資助專項(xiàng)(20161005); 山西省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2015SY64)

姜宏偉(1978-)，男，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)；通信作者：王建梅教授，E-mail：wjmdb@163.com

TE333

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.011