計(jì)入軸線偏斜的船舶可傾瓦推力軸承潤滑性能分析

(1.中國船級社 武漢規(guī)范研究所， 武漢 430022；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

船舶推進(jìn)軸系、核主泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械均采用雙向可傾瓦推力軸承，用來承受雙向載荷。轉(zhuǎn)子制造誤差、轉(zhuǎn)子安裝誤差、轉(zhuǎn)子重載懸臂和船體變形等因素都可能造成軸線偏斜。推力盤偏斜后，一方面，主軸承的部分瓦塊受載過重，可能導(dǎo)致油膜破裂進(jìn)而帶來潤滑失效；另一方面，原本不承載的副軸承也會產(chǎn)生油膜力，兩個軸承相互影響，增加軸承的總功耗。

國內(nèi)外針對推力軸承的軸線傾斜問題研究[1-5]較少同時(shí)考慮熱彈變形和軸線傾斜的可傾瓦推力軸承潤滑特性，為此，提出計(jì)入軸線偏斜的船舶可傾瓦推力軸承熱彈流動壓潤滑性能分析方法。

1 軸承潤滑性能仿真方法

船舶推進(jìn)系統(tǒng)一般采用雙向可傾瓦推力軸承，推力瓦塊采用旋轉(zhuǎn)對稱安裝方式。旋轉(zhuǎn)對稱安裝的2個軸承的推力瓦塊的支點(diǎn)位置呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱,見圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)對稱安裝的雙向推力軸承結(jié)構(gòu)

沿著軸向從右往左看，推力盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左推力瓦的支點(diǎn)位置靠近瓦塊出油邊，右推力瓦的支點(diǎn)位置遠(yuǎn)離瓦塊出油邊，此時(shí)，左推力瓦為承載瓦，而右承載瓦不承載；當(dāng)推力盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，右推力瓦的支點(diǎn)位置靠近瓦塊出油邊，左推力瓦的支點(diǎn)位置遠(yuǎn)離瓦塊出油邊，此時(shí)，右推力瓦為承載瓦，而左承載瓦不承載。船舶推進(jìn)螺旋槳正反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生相反方向推力，分別作用在2個推力軸承上，軸線偏斜對承載軸承影響較大，而對非承載軸承影響小。針對旋轉(zhuǎn)對稱安裝的雙向推力軸承，分析軸線偏斜對單推力軸承性能的影響。

對于單瓦，計(jì)入軸線偏斜和瓦塊熱彈變形的膜厚方程為

h=hz+γg[rsin(θg-θ)-rzsin(θg-θz)]+

hq+u

(1)

式中：γg為瓦塊擺動角；θg為節(jié)線位置角；hz為瓦支點(diǎn)處膜厚；r和θ分別為瓦塊任意點(diǎn)的徑向和周向位置；rz和θz分別為瓦塊支點(diǎn)的徑向和周向位置；u為瓦塊變形；hq為偏斜引起的膜厚變化。

以軸線偏斜角γ和軸線投影線與X軸夾角β(偏斜方向角)來表征偏斜狀態(tài)，見圖2。

圖2 軸線偏斜分析的坐標(biāo)系

每種偏斜狀態(tài)均可分解為推力盤分別繞X和Y軸轉(zhuǎn)動γx和γy。建立hq的幾何關(guān)系如下。

(2)

式中：(θq、rq)為節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，rq=r，θq=(θ0+α)·(i-1)+θ；α為瓦間角；θ0為瓦包角；i為瓦塊編號；tanγ≈γ；0<β<180°，β≠90°；β=0或180°時(shí)，γx=0，γy=γ；β=90°時(shí)，γx=γ，γy=0。

單軸承多瓦聯(lián)合計(jì)算時(shí)，選擇取值最小的瓦塊的支點(diǎn)膜厚hz0作為多瓦聯(lián)合計(jì)算的傳遞參數(shù)，各瓦支點(diǎn)膜厚為

hz(i)=hz0+hqz(j)-hqz(i)

(3)

式中：j為支點(diǎn)膜厚取值最小的瓦塊編號。

潤滑模型中的雷諾方程和能量方程采用有限差分法求解。從j瓦開始，逐塊瓦計(jì)算，每塊瓦以壓力中心與支點(diǎn)重合為收斂條件；計(jì)算出所有瓦的總液膜力，與載荷相比較，修正hz0，重新計(jì)算各瓦液膜力，直至與載荷平衡，計(jì)算流程見圖3。

圖3 各瓦性能計(jì)算流程

2 計(jì)算結(jié)果及分析

案例軸承主要參數(shù)見表1。

表1 案例軸承的主要幾何和工況參數(shù)

由圖2可知，當(dāng)軸線偏斜方向角β不同時(shí)，即使傾斜角γ相同，軸承性能也會有差異。選擇3種最典型傾斜方向，軸線投影線分別為瓦塊幾何中心(β=17.5°)、瓦塊支點(diǎn)(β=20.3°)和相鄰?fù)唛g中心線(β=40.0°)，可涵蓋其他傾斜情況。不同傾斜方向角β和傾角γ下的軸承性能計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 不同傾斜位置角和傾角下軸承性能

由圖4a)可知，隨著軸線傾斜角的增大，瓦塊傾斜角存在先減小再增大的變化趨勢，特別當(dāng)β=40.0°時(shí)，這種變化趨勢很明顯。對于β=17.5°，當(dāng)軸線偏斜角γ<1.05′時(shí)，軸線偏斜后瓦傾斜角小于無偏斜時(shí)的瓦傾斜角(1.53′)，當(dāng)γ>1.05′時(shí)，前者大于后者。β=20.3°時(shí)瓦傾斜角的變化情況相似。表明軸線偏斜位置和程度除了會改變各瓦的支點(diǎn)膜厚，還會影響瓦塊的傾斜狀態(tài)。

由圖4b)～e)可知，隨著軸線傾斜角的增大，最小油膜厚度逐漸減小，最大油膜壓力、最大油膜溫度和翻轉(zhuǎn)力矩均隨之增大。而且軸線偏斜后軸承性能與不偏斜的性能相差較大。相同傾角下，軸承最小膜厚在β=17.5°與β=20.3°時(shí)相近，β=40°時(shí)最大。例如，當(dāng)γ=1.2′，3種β下最小膜厚分別為8.61、8.53和10.75 μm，分別為無傾斜時(shí)的30.4%、30.1%和38.0%；傾斜方向角對軸承最大液膜壓力和最大油膜溫度的影響規(guī)律與最小膜厚相似。

因此，從最小膜厚、最大液膜壓力和最大油膜溫度的角度看，軸線投影線過支點(diǎn)這種傾斜方向?qū)S承性能影響最嚴(yán)重，應(yīng)在該傾斜方向下尋找臨界傾斜角(以許用最小膜厚為指標(biāo)，軸承不發(fā)生接觸時(shí)能承受的最大傾斜角)。β=20.3°、γ=1.2′時(shí)1#瓦最小膜厚為8.5 μm，膜厚很小，軸承有碰磨的風(fēng)險(xiǎn)。因此，最小膜厚應(yīng)大于許用最小膜厚是限制傾斜角增加的重要條件。

由于各瓦載荷不均，因此油膜會對推力盤產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩，該力矩與轉(zhuǎn)軸偏斜力矩相等。由圖4e)可知，β=40°時(shí)翻轉(zhuǎn)力矩大于另兩種軸線偏斜方向時(shí)的翻轉(zhuǎn)力矩，β=17.5°和β=20.3°時(shí)，3#瓦和7#瓦的油膜力大小相近，兩者產(chǎn)生的力矩基本相互抵消，在翻轉(zhuǎn)力矩中其主要作用的是1#、2#和8#瓦；β=40°時(shí)，3#瓦的油膜力明顯大于7#瓦的油膜力，兩者產(chǎn)生的力矩差貢獻(xiàn)到了翻轉(zhuǎn)力矩中。

β=20.3°(瓦塊支點(diǎn))、不同傾角時(shí)各瓦的性能參數(shù)見圖5。

圖5 不同傾角下軸承各瓦性能

由于傾斜的對稱性，2#瓦與8#瓦、3#瓦與7#瓦、4#瓦與6#瓦性能基本相同。軸線偏斜造成各瓦塊傾斜角各部相同，隨著偏斜角的增加，除7#和8#瓦之外，其他瓦塊傾斜角均隨之遞增。偏斜造成各瓦膜厚分布嚴(yán)重不均，如γ=1.2′時(shí)1#瓦最小膜厚為8.53 μm，僅為5#瓦的8.3%。γ=1.2′時(shí)，1#瓦最大液膜壓力為17.59 MPa，約為5#瓦的33.2倍，約為平均比壓(1.95 MPa)的9倍。而一般情況下滑動軸承最高壓力為比壓的3～4倍，說明傾斜造成部分瓦塊壓力過大而存在材料失效風(fēng)險(xiǎn)。

上述分析表明，推力盤傾斜對軸承性能影響較大，特別針對重載軸承，容易造成潤滑失效和磨損，因此有必要引入和研究瓦塊均載結(jié)構(gòu)。

3 軸線偏斜極限

建立如圖6所示的幾何關(guān)系。瓦塊承載能力由無量綱系數(shù)K決定，推力盤偏斜后K為

(4)

式中：hz0為無傾斜時(shí)瓦塊支點(diǎn)位置膜厚；α為瓦塊傾斜角；B為瓦寬；x為支點(diǎn)離瓦塊進(jìn)油邊距離；h1和h2為油膜在進(jìn)出口處的厚度，

h1=hz0-hqz+(B-x)(tanγ-tanα)

h2=hz0-hqz+x(tanα-tanγ)

圖6 推力盤偏斜與瓦塊傾斜的幾何關(guān)系

根據(jù)式(4)可知，當(dāng)推力盤偏斜角γ等于瓦塊傾斜角α?xí)r，h1等于h2，瓦塊無承載能力。因此限制偏斜角增加的條件，除了許用最小膜厚外，還有瓦塊傾斜角。如圖4a)和b)，承載力最大的幾瓦塊為1#、2#、7#和8#瓦，這些瓦的傾斜角在1.0′～1.5′之間。隨著的γ增加，γ可能等于這些瓦的傾斜角，此時(shí)軸承界面因難以形成楔形動壓油膜而出現(xiàn)潤滑失效。

4 結(jié)論

針對軸線偏斜問題，提出同時(shí)計(jì)入軸線偏斜及熱彈性影響的船舶可傾瓦推力軸承潤滑性能分析方法。運(yùn)用載荷收斂的策略，提出了軸承含全瓦塊的系統(tǒng)迭代算法。

1)3種典型的軸線偏斜方向中，軸線投影線過支點(diǎn)這種偏斜方向?qū)S承性能影響最嚴(yán)重。隨著偏斜角增加，瓦膜厚度和壓力分布嚴(yán)重不均，軸承總功耗增大。因此，有必要引入瓦塊均載結(jié)構(gòu)。

2)在瓦塊傾斜角等于軸線偏斜角時(shí)，潤滑界面由于難以形成楔形動壓油膜而出現(xiàn)潤滑失效。因此，在限制偏斜角增加的條件，除各瓦塊的最小膜厚應(yīng)大于許用最小膜厚外，尚應(yīng)考慮瓦塊傾斜角的影響。