八溝槽水潤(rùn)滑橡膠軸承多參數(shù)流固耦合分析

王楠，王明武，楊帆，梁應(yīng)選

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 漢中 723001)

水潤(rùn)滑橡膠軸承具有環(huán)保、耐磨、低耗等優(yōu)點(diǎn)，可有效避免油潤(rùn)滑軸承的密封失效、溫度過(guò)高以及過(guò)度摩擦磨損等問(wèn)題，廣泛用于船舶、水/汽輪機(jī)、水泵等水力機(jī)械。水潤(rùn)滑橡膠軸承的軸瓦摩擦表面有凹面、平面和凸面3種形式，一般采用溝槽設(shè)計(jì)，溝槽橫截面多采用U形結(jié)構(gòu)(也有V形、T形、矩形等結(jié)構(gòu))，溝槽方向多為縱向(也有周向螺旋溝槽)。因縱向U形溝槽橡膠軸承排污、散熱及潤(rùn)滑效果較好，加工方便，應(yīng)用較多。由于軸承承載區(qū)有溝槽，橡膠彈性模量小且不可壓縮，橡膠軸瓦易發(fā)生變形，加之水的黏度低，因此會(huì)導(dǎo)致軸承水膜壓力較小，不易形成完整連續(xù)的水膜。為了保證一定的承載能力，通常要減小軸承間隙，這就對(duì)軸承設(shè)計(jì)提出了較高要求；同時(shí)，啟停與低速重載工況下軸承潤(rùn)滑狀態(tài)復(fù)雜多變(干摩擦-邊界潤(rùn)滑-混合潤(rùn)滑-全膜潤(rùn)滑)，因此，亟需對(duì)該類軸承特性及潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行深入研究。

目前，水潤(rùn)滑橡膠軸承的研究方向主要可分為：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇；潤(rùn)滑特性。相關(guān)學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)在軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇方面雖然進(jìn)行了大量研究[1-7]，但至今仍然沒(méi)有一套合理的水潤(rùn)滑橡膠軸承設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在軸承軸瓦摩擦表面類型以及溝槽類型、方向、數(shù)量與分布選擇上還存在不同觀點(diǎn)[8]。對(duì)于橡膠軸承特別是帶溝槽的橡膠軸承潤(rùn)滑特性的研究，運(yùn)用流體潤(rùn)滑理論以及試驗(yàn)分析后初步認(rèn)為軸承內(nèi)部不存在完整連續(xù)潤(rùn)滑膜，軸承處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)[6, 8, 9-17]，軸承在水潤(rùn)滑過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑仍有待理論與試驗(yàn)證明。橡膠軸承的研究方法分為軟件建模仿真[3-15]與試驗(yàn)研究[1-2, 10, 13, 15-18]，由于滑動(dòng)軸承的密閉性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多樣性(軸瓦材料、板條與溝槽類型及分布等)，實(shí)際運(yùn)行工況及軸承潤(rùn)滑劑流動(dòng)的復(fù)雜性，構(gòu)造試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)研究較為困難，因此多采用軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行建模與仿真分析。

目前，水潤(rùn)滑橡膠軸承的研究工作還存在以下問(wèn)題：多數(shù)文獻(xiàn)的軟件建模與數(shù)值計(jì)算中簡(jiǎn)化過(guò)多，且未從工程應(yīng)用出發(fā)考慮問(wèn)題；由于試驗(yàn)研究較為困難，在軸承潤(rùn)滑特性方面，多數(shù)文獻(xiàn)主要是軟件建模與數(shù)值計(jì)算等理論研究。

鑒于此，針對(duì)用于某潛水艇螺旋槳附近的2種結(jié)構(gòu)的八溝槽橡膠軸承，基于實(shí)際工況條件，采用雙向流固耦合方法，應(yīng)用ANSYS軟件建立軸承模型及其間隙模型，并進(jìn)行仿真(考慮氣穴現(xiàn)象)，分析軸承各性能參數(shù)、橡膠變形之間的耦合關(guān)系及其相互影響，與剛性軸承進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合軸承水膜壓力試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 研究對(duì)象與分析方法

水潤(rùn)滑橡膠軸承外圈為鋼材，內(nèi)圈軸瓦為橡膠；板條結(jié)構(gòu)分別為凹面、平面2種(圖1)，溝槽為軸向U形結(jié)構(gòu)，沿周向均勻分布且邊緣進(jìn)行圓角處理；試驗(yàn)軸承進(jìn)行了5∶1縮放，轉(zhuǎn)軸直徑Ds=100 mm，軸承內(nèi)徑d=100.8 mm，外徑D=120.8 mm，橡膠襯層厚度h=6 mm，軸承平均半徑間隙c=0.4 mm，2種軸承的長(zhǎng)徑比均為4.25∶1與2∶1，軸向供水。由于橡膠彈性模量較小，且具有不可壓縮特性，因此軸承在輕載時(shí)其接觸表面也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，對(duì)軸承特性與潤(rùn)滑機(jī)理產(chǎn)生很大影響；同時(shí)，由于存在多溝槽，軸承結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，與剛性軸承相比，表征軸承特性的相關(guān)參數(shù)(水膜壓力、水膜厚度、承載力等)的變化規(guī)律是不同的。

圖1 橡膠軸承橫截面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cross section structure diagram of rubber bearing

由于研究重點(diǎn)是水流壓力與橡膠變形之間的相互影響以及由于橡膠變形而引起的水膜壓力變化，因此應(yīng)用ANSYS雙向流固耦合模塊建立橡膠軸承及其間隙模型(固體域與流體域)，對(duì)橡膠變形引起的水膜壓力、水膜厚度、承載力以及與軸轉(zhuǎn)速、載荷、長(zhǎng)徑比等參數(shù)的變化關(guān)系及規(guī)律進(jìn)行分析。由于試驗(yàn)軸承在軸向上的變形受到端蓋的限制，外圈固定，且在受力時(shí)剛性軸套的變形遠(yuǎn)小于橡膠軸承的變形，因此軸向變形可忽略不計(jì)。雙向流固耦合方法流程圖如圖2所示。方法如下：1)設(shè)置位移為0，軸承橡膠與軸套的交界面為固定面，軸承內(nèi)表面為流固耦合面，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，生成input文件。2)將劃分好的水膜間隙網(wǎng)格導(dǎo)入CFX中，并對(duì)網(wǎng)格的位置與尺寸進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置流場(chǎng)分析類型為多相流耦合，導(dǎo)入input文件；在流域(domain)設(shè)置中，選取多相流模型中的氣穴模型，定義流體材料屬性，設(shè)置主軸旋轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)動(dòng)速度及流固耦合面。3)單擊Output control按鈕，通過(guò)Select various選擇輸出變量，設(shè)置輸出控制屬性，并在迭代開(kāi)始后對(duì)軸承各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 建模與求解

2.1 軸承及其間隙模型的建立

由于水在軸承中流動(dòng)時(shí)的溫度變化很小，故不考慮溫度對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響。參數(shù)設(shè)置如下：軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)按照前文設(shè)置，環(huán)境溫度為25 ℃，水密度ρ1=998 kg/m3，黏度μ=8.90×10-7m2/s，橡膠密度ρ2=1 550 kg/m3，彈性模量E=7.75 MPa，泊松比ν=0.47。

橡膠軸承及其間隙模型分別如圖3、圖4所示。由于平面軸承結(jié)構(gòu)與凹面軸承相似，因此只對(duì)凹面軸承建模過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。建模時(shí)，外圈為鋼材，內(nèi)圈為橡膠，由于鋼材剛度遠(yuǎn)大于橡膠剛度，因此外圈變形可忽略，只考慮軸承內(nèi)圈變形。為了提高計(jì)算速度及精度，軸承與其間隙模型的網(wǎng)格劃分都采用六面體單元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。六面體單元的長(zhǎng)度為0.4 mm，采用sweep方法進(jìn)行劃分，軸承模型中徑向方向?yàn)?層，軸向10等分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為123 414，單元數(shù)為24 560；軸承間隙模型中徑向?yàn)?0層，軸向12等分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為232 536，單元數(shù)為47 894，經(jīng)檢測(cè)，固體域與流體域網(wǎng)格質(zhì)量均在0.92以上。

圖3 軸承模型及網(wǎng)格劃分Fig.3 Model and meshing of bearing

圖4 軸承間隙模型及網(wǎng)格劃分Fig.4 Model and meshing of bearing clearance

2.2 邊界條件與求解模型的選取

采用考慮氣穴的質(zhì)量守恒邊界條件(JFO邊界條件)，其是針對(duì)Reynolds邊界條件不能很好解釋油膜再次形成時(shí)的情況而提出的，不僅滿足油膜破裂處的質(zhì)量守恒，在油膜再形成處還滿足質(zhì)量守恒，充分考慮了油膜分離和重新形成的情況。應(yīng)用FLUENT工具直接求解N-S方程，由于滑動(dòng)軸承發(fā)散楔形區(qū)內(nèi)，恒定溫度下，當(dāng)潤(rùn)滑介質(zhì)壓力下降到飽和蒸氣壓以下時(shí)，即無(wú)法承受負(fù)壓發(fā)生破裂形成氣穴而產(chǎn)生空化現(xiàn)象，因此采用與JFO邊界條件原理相同的氣穴模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定。

選擇求解模型前，首先判斷流體狀態(tài)。軸頸半徑R=50 mm，間隙比c/R=0.008，軸轉(zhuǎn)速ω變化范圍為50～200 rad/s，由Taylor判據(jù)可得，實(shí)際流體Reynolds數(shù)Re=1 198>1 000(臨界值)，因此流體為湍流狀態(tài)。橡膠軸承工作中，由于溝槽的存在，流體運(yùn)動(dòng)帶有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)并緊貼彎曲壁面，因此湍流模型采用修正過(guò)的RNGκ-ε模型。氣穴模型選擇Schnerr and Sauer，飽和蒸氣壓Ps設(shè)為3 540 Pa，材料設(shè)置中增加water-vapor，密度為0.554 2 kg/m3，黏度為1.34×10-5Pa·S。選用壓強(qiáng)速度耦合求解器(SIMPLEC算法)?？紤]氣穴時(shí)的水潤(rùn)滑軸承殘差曲線如圖5所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，壓力迭代松弛因子和動(dòng)量方程的松弛因子為0.1，其他松弛因子為0.3時(shí)，收斂速度和精度較高，收斂標(biāo)準(zhǔn)為所有控制方程的迭代殘差都小于1×10-3。

圖5 考慮氣穴時(shí)的軸承殘差曲線Fig.5 Residual error curves of bearing while considering cavitation

3 仿真分析

3.1 不同參數(shù)對(duì)軸承性能的影響

在最大比壓0.024 MPa、不同外部載荷Fw下，凹面軸承(長(zhǎng)徑比4.25∶1)偏心率ε、最大水膜壓力Fm隨軸轉(zhuǎn)速ω的變化曲線如圖6所示(平面軸承在上述參數(shù)下的變化規(guī)律與此類似)。由圖6a可知，載荷不變時(shí)，隨著軸轉(zhuǎn)速增加，軸承偏心率減小(最小水膜厚度增加)；由圖6b可知，最大水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小并趨于穩(wěn)定，因此，軸承整體水膜壓力分布也將逐漸趨于穩(wěn)定，軸承總的承載能力不變。由此可推斷，載荷不變時(shí)，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速增大到臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，軸承將不能形成動(dòng)壓潤(rùn)滑所需壓力，此時(shí)若軸轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，軸承與軸將產(chǎn)生接觸。

圖6 偏心率、最大水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.6 Variation curves of eccentricity and maximum water film pressure with shaft speed

外部載荷為500 N時(shí)，在不同長(zhǎng)徑比L/d下，軸承偏心率ε、偏位角θ隨Sommerfeld數(shù)So的變化曲線如圖7所示。由圖可知，長(zhǎng)徑比為4.25時(shí)軸承的偏心率小于長(zhǎng)徑比為2時(shí)的偏心率，而偏位角θ情況則相反。因此，載荷不變時(shí)，長(zhǎng)徑比越大，軸承偏心率越小，水膜厚度越大，軸承越不易與軸產(chǎn)生接觸。

圖7 偏心率、偏位角與Sommerfeld數(shù)變化關(guān)系Fig.7 Sommerfeld variation relationships among eccentricity,attitude angle and number

軸轉(zhuǎn)速為100 rad/s、偏心率為0.8時(shí)2種軸承的水膜壓力Ff分布云圖如圖8所示。軸向Z=0.2 m截面處不同偏心率下2種軸承的周向連續(xù)水膜壓力分布曲線(以正上方溝槽中心為零點(diǎn))如圖9所示。由圖8a可知，軸承板條上的壓力明顯大于溝槽處的壓力，且其壓力分布變化較平緩；由圖8b可知，板條上的壓力分布變化較大，其中間壓力遠(yuǎn)高于兩端壓力，說(shuō)明在板條上形成了較為明顯的壓力峰，該現(xiàn)象在圖9b中表現(xiàn)更為明顯。此外，在承載區(qū)(周向角在120°～180°,-120°～-180°之內(nèi))內(nèi)，凹面軸承基本無(wú)空化現(xiàn)象，而平面軸承空化現(xiàn)象較嚴(yán)重，表明凹面軸承潤(rùn)滑效果優(yōu)于平面軸承。

圖8 橡膠軸承水膜壓力分布云圖Fig.8 Water film pressure distribution nephogram of rubber bearing

滑動(dòng)軸承中，壓力分布大小可作為衡量軸承承載力大小的重要指標(biāo)。由圖9可知，偏心率為0.2時(shí)，軸承水膜壓力的最大值以及峰-峰值均較小，說(shuō)明偏心率較小時(shí)，軸承動(dòng)壓效應(yīng)小，此時(shí)壓力變化不明顯，對(duì)應(yīng)軸承承載力也較??；隨著偏心率由0.2增大到0.8，軸承動(dòng)壓效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，因此最大水膜壓力及壓力峰-峰值逐漸增大，軸承承載力大幅提高。平面軸承每個(gè)板條上壓力峰較尖銳，凹面軸承壓力變化平緩，同一偏心率下，凹面軸承最大水膜壓力遠(yuǎn)大于平面軸承，由此表明，凹面軸承承載能力優(yōu)于平面軸承。此外，每個(gè)偏心率下2種軸承都出現(xiàn)了負(fù)壓，且平面軸承負(fù)壓區(qū)多，表明水膜是部分連續(xù)的，平面軸承潤(rùn)滑狀態(tài)較差。

通過(guò)FLUENT后處理過(guò)程可得到軸承在不同偏心率和軸轉(zhuǎn)速下的承載力變化，如圖10所示。由圖可知，偏心率為0.2時(shí)，軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0 rad/s增大到200 rad/s，凹面和平面軸承承載力增量分別為230.3，91.7 N；偏心率為0.8時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)?0 rad/s增大到200 rad/s，凹面和平面軸承承載力增量分別為996.3,477.0 N，分別是偏心率為0.2時(shí)承載力的4.33倍和5.21倍。因此，隨著軸轉(zhuǎn)速增加，軸承動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，軸承承載力Fc逐漸增大。偏心率較小時(shí)，軸旋轉(zhuǎn)所帶來(lái)的動(dòng)壓效應(yīng)并不明顯；偏心率逐漸增大時(shí)，軸承動(dòng)壓效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，軸承承載力得到大幅提升。

圖10 承載力和偏心率、軸轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.10 Variation relationships among load capacity,eccentricity and shaft speed

外部載荷為1 000 N、偏心率為0.8時(shí)，2種軸承的最小水膜厚度hm與承載力Fc隨軸轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖11所示。由圖11a可知，相同載荷與轉(zhuǎn)速下，凹面軸承最小水膜厚度大于平面軸承，即凹面軸承更易形成動(dòng)壓水膜潤(rùn)滑。由圖11b可知，轉(zhuǎn)速為50 rad/s時(shí)，平面、凹面軸承承載力分別為64.4，153.9 N，差值為89.5 N；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到200 rad/s時(shí)，平面、凹面軸承承載力分別為541.4，1 150.2 N，差值為608.8 N；隨著轉(zhuǎn)速增加，承載力差值逐漸增大。因此，凹面軸承承載力優(yōu)于平面軸承，即相同負(fù)載下，平面軸承更易與軸發(fā)生接觸。

圖11 最小水膜厚度與承載力隨軸轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.11 Variation curves of minimum water film thickness and load capacity with shaft speed

3.2 橡膠變形對(duì)軸承特性的影響

軸轉(zhuǎn)速200 rad/s，外部載荷500 N時(shí)，2種軸承的板條變形分布云圖如圖12所示。由圖可知，凹面軸承的橡膠變形主要發(fā)生在水膜最小間隙軸承板條上，由于橡膠彈性模量較小且具有不可壓縮性，板條兩邊壓力相對(duì)中間壓力較小(圖12a)，因此，這種兩邊小、中間大、相互獨(dú)立的壓力會(huì)使板條兩邊變形隆起，中心凹陷，形成“水囊”。

圖12 橡膠變形分布云圖Fig.12 Deformation distribution nephogram of rubber

水囊增加了水膜厚度，改善了軸承潤(rùn)滑條件，促進(jìn)了流體壓力形成；但隨著橡膠變形量增加，軸與橡膠軸承之間會(huì)產(chǎn)生接觸與摩擦，從而使橡膠軸承工作狀況惡化，不利于潤(rùn)滑膜形成。平面軸承的板條變形主要發(fā)生在兩端(圖12b)，這是由于平面軸承板條與軸之間形成了先收斂后發(fā)散的水膜間隙，從而在板條上形成了2個(gè)相互獨(dú)立壓力峰，因此板條上出現(xiàn)2個(gè)凹陷。

由于凹面軸承和平面軸承在橡膠變形量、最小水膜厚度與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系類似，因此以下僅以凹面軸承為例進(jìn)行分析。凹面軸承橡膠變形量與剛性軸承最小水膜厚度隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖13所示。由于橡膠變形量與最小水膜厚度可采用同一單位(mm)，且變化范圍相近，因此在同一圖中表示。由圖13可知，載荷一定時(shí)，隨著軸轉(zhuǎn)速增加，橡膠變形減小，水膜厚度增大。當(dāng)載荷為800 N、轉(zhuǎn)速為60 rad/s時(shí)，橡膠變形量為0.762 mm，已經(jīng)遠(yuǎn)大于剛性軸承在此工況下的最小膜厚度0.080 8 mm，說(shuō)明此時(shí)軸承將與軸發(fā)生接觸；當(dāng)轉(zhuǎn)速為200 rad/s時(shí)，橡膠變形量為0.307 mm，剛性軸承最小水膜厚度為0.356 4 mm，大于橡膠變形，說(shuō)明此時(shí)軸承可以形成連續(xù)水膜。因此，橡膠變形量隨著轉(zhuǎn)速減小和載荷增加而增大，降低轉(zhuǎn)速或增加載荷都會(huì)引起軸與軸承接觸。

圖13 橡膠變形量與最小水膜厚度隨軸轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.13 Variation curves of rubber deformation and minimum water film thickness with shaft speed

凹面橡膠軸承與剛性軸承最大水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖14所示。由圖可知，橡膠軸承的最大水膜壓力隨著軸轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨著載荷的增加而增大；轉(zhuǎn)速越大，橡膠軸承最大水膜壓力與剛性軸承的越接近，這是由于最大壓力減小，導(dǎo)致橡膠變形減小。相同工況下，橡膠軸承水膜壓力變化幅度小于剛性軸承；由于橡膠變形導(dǎo)致水膜承載面積增大，因此與剛性軸承相比，橡膠軸承水膜壓力低，但水膜厚度大。

圖14 軸承最大水膜壓力隨軸轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.14 Variation curres of maximum water film pressure of bearing with shaft speed

4 水膜壓力測(cè)試試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

應(yīng)用無(wú)線傳感技術(shù)在水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)2種軸承進(jìn)行水膜壓力測(cè)試試驗(yàn)[15]，傳感器布置方案如圖15所示，試驗(yàn)軸承的8個(gè)板條(stave1～stave8)與水膜壓力測(cè)試傳感器分別編號(hào)，軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。鍵相信號(hào)傳感器位于水平位置，即傳感器1在板條1位置，確定軸承位置后，只要獲取鍵相信號(hào)，即傳感器1的位置確定，則可確定其他傳感器位置，可得每個(gè)傳感器所測(cè)得的水膜壓力在對(duì)應(yīng)板條上的分布情況。試驗(yàn)工況與仿真條件設(shè)置如下：徑向載荷0～1 000 N(比壓0～0.024 MPa)，軸轉(zhuǎn)速240～1 920 r/min(25～201 rad/s)，供水壓力0.1～0.6 MPa；無(wú)線采集發(fā)射裝置參數(shù)為：波特率9 600 bits/s，無(wú)線采集發(fā)射裝置DSP采樣頻率1 024 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)256，每次傳輸數(shù)據(jù)量32字節(jié)。在水膜壓力測(cè)試前，對(duì)整個(gè)水潤(rùn)滑軸系進(jìn)行對(duì)中及平衡調(diào)整。

圖15 傳感器布置方案Fig.15 Layout scheme of sensors

4.2 結(jié)果與分析

軸轉(zhuǎn)速960 r/min(100 rad/s)、供水壓力0.3 MPa時(shí)，傳感器3測(cè)得的2種軸承全周水膜壓力分布如圖16所示。由圖16a可知，軸承均出現(xiàn)負(fù)壓，但凹面軸承負(fù)壓出現(xiàn)在板條1處，因此凹面軸承在承載區(qū)(周向角為210°～330°)存在連續(xù)水膜，但過(guò)了承載區(qū)水膜開(kāi)始破裂，這與圖9a偏心率為0.8時(shí)的水膜壓力分布仿真結(jié)果基本一致；由圖16b可知，平面軸承在每個(gè)板條都有獨(dú)立壓力峰，且負(fù)壓區(qū)域較大，表明平面軸承在承載區(qū)不能形成連續(xù)水膜，與圖9b中仿真結(jié)果也基本一致。

圖16 軸承周向連續(xù)水膜壓力分布曲線Fig.16 Circumferential continuous water film pressure distribution curves of bearings

綜上所述，平面軸承形成的流體壓力及承載能力遠(yuǎn)小于凹面軸承，這是由于平面軸承每個(gè)板條上都同時(shí)存在一個(gè)小的收斂、擴(kuò)散楔形，而凹面軸承存在一些板條，其收斂楔形寬于或等于板條寬度。此外，平面軸承收斂楔形入口高度較大，凹面軸承收斂楔形入口高度較小，平面軸承收斂楔形由較大入口高度在較窄范圍內(nèi)很快減小到出口高度，而凹面軸承收斂楔形由較小入口高度在較寬范圍內(nèi)緩慢減小到出口高度，狹長(zhǎng)收斂楔形使凹面軸承更易于形成流體壓力。凹面軸承可能形成宏觀尺度潤(rùn)滑膜，但不能形成完全潤(rùn)滑膜將軸與軸承全部隔開(kāi)，因此凹面軸承在摩擦界面上既存在連續(xù)潤(rùn)滑膜又存在宏觀尺度的直接接觸，屬于混合潤(rùn)滑狀態(tài)；而平面軸承不能形成流體膜，屬于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。

5 結(jié)論

1)載荷不變時(shí)，增加軸轉(zhuǎn)速會(huì)使軸承偏心率減小，最小水膜厚度增加；軸轉(zhuǎn)速增大到一定程度后，軸承將與軸產(chǎn)生接觸；長(zhǎng)徑比越大，軸承偏心率越小，越不易與軸產(chǎn)生接觸。

2)凹面軸承承載區(qū)基本無(wú)空化現(xiàn)象，平面軸承空化現(xiàn)象較嚴(yán)重，凹面軸承承載力優(yōu)于平面軸承，平面軸承更易與軸產(chǎn)生接觸；橡膠變形產(chǎn)生的水囊可增加水膜厚度，改善軸承潤(rùn)滑條件，但其變形量不斷增加將導(dǎo)致軸與軸承產(chǎn)生接觸與摩擦，使軸承工作狀況惡化；凹面軸承處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，平面軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。

3)橡膠變形量隨著轉(zhuǎn)速減小、載荷增加而增大；相同工況下，與剛性軸承相比，橡膠軸承的水膜壓力變化幅度小，水膜壓力低，但水膜厚度大。