瓦面凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對可傾瓦推力軸承潤滑性能的影響

李男兒，王琳，2

（1.西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，西安 710072；2.東莞市三航軍民融合創(chuàng)新研究院，廣東 東莞 523808）

推力軸承為旋轉(zhuǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于汽輪機、水輪機、核電主泵、船舶推進(jìn)系統(tǒng)等。隨著動力機械向大功率化方向發(fā)展，推力軸承的工作條件愈加苛刻，軸承過熱，潤滑失效等問題受到極大重視[1－2]。以水力發(fā)電推力軸承為例，據(jù)統(tǒng)計其故障占所有機械設(shè)備故障的60%左右[3]，推力軸承瓦面溫度偏高、燒瓦等現(xiàn)象時有發(fā)生[4]，潤滑失效造成的損失巨大。因此，開展推力軸承潤滑性能提升研究有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

可傾瓦推力軸承具有瓦塊自適應(yīng)隨動特性，能在工況變化后自動找到最佳工作點，因而獲得廣泛應(yīng)用[5－7]。文獻(xiàn)[8]研究表明，在瓦面開槽可以提升軸承性能。文獻(xiàn)[9]通過試驗對比了前緣槽（Leading Edge Groove，LEG）與不開槽軸承性能，發(fā)現(xiàn)LEG軸承具有一定的降溫效果。文獻(xiàn)[10]在LEG軸承的油槽邊緣開設(shè)了坡口，包括小角度、大角度和帶凸臺的倒角，通過試驗對比了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動特性，結(jié)果表明，邊緣合理開設(shè)坡口可以降低轉(zhuǎn)子振幅，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]在彈性金屬塑料推力軸承進(jìn)油邊開設(shè)倒角或斜坡。上述研究表明，在軸承瓦塊進(jìn)油邊開槽可以改善潤滑性能，能降低油溫，但槽結(jié)構(gòu)對軸承潤滑性能的改善程度以及對軸承承載能力的影響規(guī)律還有待研究。

鑒于此，現(xiàn)以可傾瓦推力軸承為研究對象，設(shè)計瓦面凹槽結(jié)構(gòu)，分析凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對推力軸承潤滑性能的影響規(guī)律。

1 軸承瓦面凹槽結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[12]在方形階梯瓦塊上開設(shè)圓弧形槽，研究表明，該方法可減少瓦塊的側(cè)泄，提高瓦塊承載能力。參考該方法，在可傾瓦推力軸承瓦面的進(jìn)油邊開設(shè)圓弧形槽。瓦面開槽推力瓦結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：R1和R2分別為瓦塊的內(nèi)、外半徑；R為圓弧槽半徑；B為瓦寬度；θ0為瓦塊包角。瓦面分為2個區(qū)域，臺區(qū)Γ2和槽區(qū)Γ3。圓弧圓心在過進(jìn)油邊中點的垂線上，圓弧對應(yīng)的弦長為瓦寬度。為保證瓦面凹槽始終為完整的圓弧槽，R≥B／2，當(dāng)R＝B／2時，圓心在進(jìn)油邊中點。將開槽參數(shù)定義為（a，b），a和 b分別為槽深和槽半徑的比例參數(shù)，設(shè) h0＝ahm，R＝bB／2，其中：h0為槽深；hm為最小膜厚。

圖1 瓦面開槽推力瓦結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of thrust bush with grooved bush surface

2 軸承潤滑模型

可傾瓦推力軸承在運行過程中主要為流體動壓潤滑，利用流體動壓潤滑模型的Reynolds方程、能量方程和油膜厚度方程建立用于仿真計算的可傾瓦推力軸承潤滑模型。

2.1 Reynolds方程

在穩(wěn)定工況下，各物理量不隨時間變化，表面速度認(rèn)為是常數(shù)，忽略潤滑油的壓縮性和流體慣性力，且不計推力盤變形，滿足二維Reynolds方程

壓力邊界條件為

式中：p為油膜壓力；h為油膜厚度；μ為潤滑油黏度；θ和r分別為周向角度和徑向長度；ω為軸承推力盤角速度；Γ1為油膜破裂邊界；Γ為油膜周圍邊界。

2.2 能量方程

假定油膜不可壓縮、工況定常（不考慮時間變化）且不考慮熱輻射，軸承能量方程為

式中：ρ和Cp分別為潤滑油的密度和比熱容。設(shè)進(jìn)油溫度為tin，邊界條件為

2.3 油膜厚度方程

考慮槽深的可傾瓦油膜厚度方程為

式中：h1為臺區(qū)膜厚；γp為軸瓦繞節(jié)線的轉(zhuǎn)動角；θp為節(jié)線位置角；θm和rm分別為最小膜厚所在的周向角度和徑向長度。

2.4 黏溫方程

潤滑油的動力黏度為

式中：t為油溫；A，B，C為常數(shù)，對于采用的 VG46＃潤滑油，這3個參數(shù)分別為5.541×10－5，872和91。

2.5 潤滑性能方程

對油膜壓力進(jìn)行積分，得到單塊推力瓦的承載力為

單塊瓦的摩擦力矩為

單瓦塊的功耗為

單塊瓦進(jìn)油邊的流量為

采用有限差分法求解Reynolds方程和能量方程，開槽可傾瓦推力軸承動壓潤滑模型的計算過程為[2]：首先將上述控制方程進(jìn)行量綱一化；然后將方程離散化；最后進(jìn)行多重迭代計算，直到達(dá)到收斂精度為止。將得到的油膜壓力數(shù)據(jù)代入（5）～（8）式即可得軸承潤滑性能數(shù)據(jù)，計算流程如圖2所示，其中計算初始化包含最小膜厚和瓦塊傾斜角的初始值。

圖2 軸承性能數(shù)據(jù)計算流程Fig.2 Calculation flow of bearing performance data

3 軸承性能分析

可傾瓦推力軸承的主要結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)見表1，利用上述模型和算法進(jìn)行計算。

表1 軸承的主要結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)Tab.1 Main Structure and operating parameters of bearing

3.1 軸承壓力和膜厚分布特性分析

對進(jìn)油邊未開槽和開槽2種軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到油膜壓力分布和厚度分布如圖3所示。其中，開槽參數(shù)（a，b）?。?，1），即最小膜厚和槽深均為43.1μm。由圖3a和圖3b可知：與不開槽相比，開槽軸瓦的壓力峰中段分布較寬，即高壓區(qū)各節(jié)點壓力更加均衡。由圖3c和圖3d可知：開槽后高壓區(qū)域形狀有所變化，靠近支點位置的圓弧槽部分在臺階的作用下形成了高壓，因此，有槽時的高壓區(qū)域由無槽時的光滑近似橢圓形變?yōu)閹Ю饨牵?種軸承的最高油膜壓力非常接近。由圖3e和圖3f可知：無槽時，厚膜區(qū)域集中在瓦塊左上角；開槽后，厚膜區(qū)域分布在槽區(qū)。雖然有槽軸承最小膜厚略大于無槽軸承，但其瓦面的膜厚整體大于無槽結(jié)構(gòu)。因此，進(jìn)油邊開淺深槽可提高軸承潤滑油膜的承載能力。

圖3 2種結(jié)構(gòu)的軸瓦油膜壓力和厚度分布圖Fig.3 Oil film pressure and thickness distribution diagram of two structures of bearing bushes

3.2 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

為了獲取最優(yōu)的槽結(jié)構(gòu)參數(shù)，在不同槽參數(shù)a和b下對軸承性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4—圖7所示，其中當(dāng)a＝0時，表示瓦塊無槽。由圖可知：隨著b的增加，最小膜厚、單瓦摩擦功耗和瓦塊進(jìn)出油流量均減小，支點膜厚和最大油膜溫度有所增加。因此，槽半徑參數(shù)的增加對改善推力軸承潤滑性能不利。隨著a的增加，軸承各性能參數(shù)均表現(xiàn)出了極值特性。最小膜厚、支點膜厚和瓦塊進(jìn)出油流量均隨a的增加先增大后減小，因此，進(jìn)油邊開設(shè)一定深度的油槽對降低油膜溫度有利；最大油膜溫度和單瓦摩擦功耗隨a的增加先減小后增大，這表明開槽對降低油膜溫度的效果只在一定參數(shù)范圍內(nèi)有效，當(dāng)槽深達(dá)到一定值后，摩擦功耗增加，從而增大油膜溫升。根據(jù)這種極值特性可以獲得潤滑性能最優(yōu)時的槽參數(shù)。b取1，a取1.2～1.5時，最小膜厚和瓦塊進(jìn)出油流量為最大值，最大油膜溫度為最小值。因此，（1.2～1.5，1）為最優(yōu)槽參數(shù)。

圖4 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對膜厚的影響Fig.4 Influence of structural parameters of groove on film thickness

圖5 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大油膜溫度的影響Fig.5 Influence of structural parameters of groove on maximum oil film temperature

圖6 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對單瓦摩擦功耗的影響Fig.6 Influence of structural parameters of groove on frictional power consumption of single bush

圖7 槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對瓦塊流量的影響Fig.7 Influence of structural parameters of groove on flow ofbush

對比無槽和有槽參數(shù)（1.2～1.5，1）時軸承的性能可知，開槽后最小油膜厚度增加約10%，最大油膜溫度降低約3℃。由此表明，在瓦塊進(jìn)油邊開槽可以改善軸承潤滑性能。

綜上所述，與無槽相比，優(yōu)化開槽參數(shù)可增加軸承油膜承載能力，同時可降低油膜溫度，從而達(dá)到改善軸承潤滑性能的效果。

4 結(jié)論

1）開槽后，瓦塊的進(jìn)油流量增加，油膜溫度降低。當(dāng)槽深達(dá)到最優(yōu)值后，摩擦功耗增加，油膜溫升增大。槽半徑參數(shù)增加對改善推力軸承潤滑性能不利。

2）軸承性能參數(shù)隨槽深參數(shù)的增加表現(xiàn)出極值特性，開槽參數(shù)?。?.2～1.5，1）是文中算例條件下的最優(yōu)槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）與無槽相比，開槽后最小油膜厚度最大增幅約10%，最大油膜溫度最大降幅約3℃。