汽輪機(jī)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱挺 陳燕

摘要：軸承是轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，相當(dāng)于機(jī)械的關(guān)節(jié)。在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)噪聲、溫度、振動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)軸承的使用壽命造成影響，而一旦軸承發(fā)生故障問(wèn)題，將帶來(lái)難以預(yù)料的嚴(yán)重后果。本文結(jié)合流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的影響因素，對(duì)汽輪機(jī)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討研究，為提升滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)質(zhì)量提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);流體動(dòng)壓;滑動(dòng)軸承;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH133.37? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0013-02

0? 引言

滑動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域，在高速、高精度、重載等場(chǎng)合下可以充分發(fā)揮性能，承受一定的沖擊，因而在汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、攪拌機(jī)等機(jī)械設(shè)備中都有不錯(cuò)的應(yīng)用。流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承是表面完全被油膜分開(kāi)的滑動(dòng)軸承，而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得到的滑動(dòng)軸承存在耗油量大、溫升高、承載能力低等不足，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提升滑動(dòng)軸承的性能。

1? 流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的工作原理和影響因素

1.1 流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的工作原理

滑動(dòng)軸承工作部分是面接觸，具有較強(qiáng)的承載能力，而油膜的存在能夠消除工作面噪聲、振動(dòng)等因素的干擾，液體摩擦工作狀態(tài)使摩擦系數(shù)很小，使用壽命較長(zhǎng)。此外，滑動(dòng)軸承對(duì)徑向尺寸要求較低，和滾動(dòng)軸承相比制造成本不高，且便于裝配。根據(jù)壓力成形方式滑動(dòng)軸承可以分為流體靜壓和流體動(dòng)壓兩類，其中流體靜壓軸承使用外部壓力泵向軸承和軸的微小間隙泵入潤(rùn)滑油，形成壓力油膜，而流體動(dòng)壓軸承以軸頸按一定轉(zhuǎn)速相對(duì)軸承旋轉(zhuǎn)，之間形成收斂的楔形間隙，高速旋轉(zhuǎn)下帶入潤(rùn)滑油自動(dòng)形成壓力來(lái)承載載荷，油膜壓力與載荷平衡狀態(tài)下軸頸會(huì)自動(dòng)懸浮，當(dāng)油膜厚度超過(guò)軸頸與軸承工作表面微觀不平度總和，使軸頸與軸承工作表面完全分隔，從而形成液體摩擦狀態(tài)。

流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承和一般的滑動(dòng)軸承相比，使用壽命更長(zhǎng)，抗沖擊、抗振動(dòng)性能優(yōu)秀，在高轉(zhuǎn)速、高精度、耐沖擊的特殊工作條件下可以表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性能，因而在汽輪機(jī)等各類回轉(zhuǎn)機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。隨著流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的普及應(yīng)用，對(duì)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的相關(guān)研究快速增加，如何優(yōu)化流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)，提高軸承的承載能力、摩擦學(xué)性能，延長(zhǎng)使用壽命，成為研究領(lǐng)域的重點(diǎn)熱門(mén)課題。

1.2 流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承使用的影響因素

如果軸承內(nèi)潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，會(huì)使?jié)櫥驼扯冉档?，影響油膜承載力，可能引發(fā)潤(rùn)滑失效的嚴(yán)重后果。因此，需要對(duì)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承運(yùn)行過(guò)程中的影響因素有準(zhǔn)確了解，結(jié)合實(shí)際使用工況對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能有效提升滑動(dòng)軸承各方面的性能，確?；瑒?dòng)軸承的安全穩(wěn)定使用。在流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中，軸瓦的熱變形是需要著重考慮的因素，需要了解流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的技術(shù)要求和工作環(huán)境，分析不同參數(shù)狀態(tài)下對(duì)軸瓦溫度、軸瓦徑向熱變形量的影響作用。

轉(zhuǎn)速與軸瓦溫度和熱變形量的關(guān)系。為研究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸瓦溫度和熱變形的影響，在其他參數(shù)不變的前提下，選取1000r/min到3000r/min不同轉(zhuǎn)速下對(duì)軸承進(jìn)行數(shù)值仿真。從仿真結(jié)果可以看出，主軸轉(zhuǎn)速增加的過(guò)程中，軸瓦溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加導(dǎo)致油液摩擦加劇，在液體摩擦過(guò)程中產(chǎn)生更多的熱量。然而軸承轉(zhuǎn)速的增加也會(huì)帶入一定量的冷油，冷油與熱油混合使得上升的溫度區(qū)間并不大，控制在5%以內(nèi)。而不同轉(zhuǎn)速下軸瓦的熱變形形態(tài)沒(méi)有產(chǎn)生明顯差異，隨著軸瓦溫度的升高熱變形量也有所增加，增長(zhǎng)幅度也在5%左右。

油壓與軸瓦溫度和熱變形量的關(guān)系。同樣，在其他參數(shù)不變的前提下，油壓在0.1MPa到0.3MPa區(qū)間測(cè)試，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明軸瓦溫度場(chǎng)分別情況隨著油壓增加沒(méi)有明顯變化，軸瓦溫度反而小幅度的降低。之所以產(chǎn)生這樣的結(jié)果，原因在于油壓增大時(shí)軸承端泄量也有增加，摩擦產(chǎn)生的熱量被快速帶走，導(dǎo)致增加油壓后軸瓦溫度出現(xiàn)輕微下降。而熱變形量差距也并不明顯，并和溫度曲線保持一致，出現(xiàn)略微的減小。

環(huán)境溫度與軸瓦溫度和熱變形量的關(guān)系。潤(rùn)滑油需要經(jīng)過(guò)預(yù)熱后再進(jìn)入滑動(dòng)軸承，這樣可以降低管內(nèi)輸送壓力，提高潤(rùn)滑油流量。在環(huán)境溫度292K到300K區(qū)間的情況下，數(shù)值仿真結(jié)果表明環(huán)境溫度增加軸瓦溫度也有所增加，且與環(huán)境溫度提升幅度保持一致，當(dāng)環(huán)境溫度上升8K時(shí)軸瓦溫度也同樣增加8K，表現(xiàn)出高度的同步，而熱變形量也隨之呈現(xiàn)一定幅度的增加。分析其原因，認(rèn)為環(huán)境溫度較低時(shí)潤(rùn)滑油粘度較高，流動(dòng)的阻力系數(shù)高，潤(rùn)滑油在油槽處聚集，熱變形量較小，而隨著環(huán)境溫度的升高，潤(rùn)滑油流動(dòng)加快，軸瓦的熱變形量也隨之增加。

偏心率與軸瓦溫度和熱變形量的關(guān)系。建立0.3到0.7偏心率的軸承模型，進(jìn)行數(shù)值仿真和數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果表明軸承偏心率提高，會(huì)導(dǎo)致軸瓦溫度和熱變形量增加。原因在于偏心率增加會(huì)凸顯軸與軸瓦間隙的楔形效應(yīng)，使?jié)櫥偷哪Σ吝M(jìn)一步加劇，從而提升軸瓦溫度和熱變形量。

1.3 流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)模型

和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，運(yùn)用軟件建立數(shù)據(jù)計(jì)算模型的方法可以對(duì)滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)、可靠的建議。利用計(jì)算機(jī)軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行公式擬合和非線性約束問(wèn)題求解，可以使滑動(dòng)軸承在耗油量、溫升、承載能力等性能方面得到改善。

建立模型需要確定滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)變量，包括軸承內(nèi)徑、軸承寬度、徑向間隙、潤(rùn)滑油粘度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，其中軸承內(nèi)徑等部分參數(shù)為已知項(xiàng)，可以從待定的參數(shù)中選出軸承寬度、徑向間隙等作為設(shè)計(jì)變量。

滑動(dòng)軸承性能指標(biāo)主要包括耗油量、溫升、承載能力等方面，可以利用耗用量、液體摩擦和承載量系數(shù)表征上述性能，建立目標(biāo)函數(shù)?？紤]到最小油膜厚度等約束條件的影響，需要確定軸承最小油膜厚度大于允許的最小值，溫升最大值符合設(shè)計(jì)要求給定的溫升范圍，軸承的PV值小于允許值，潤(rùn)滑油粘度大于最小允許粘度，軸承平均壓強(qiáng)小于允許值。

最后，根據(jù)建立的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。由于借助先進(jìn)的技術(shù)手段，可以降低優(yōu)化設(shè)計(jì)的誤差，提高計(jì)算求解的準(zhǔn)確性和效率，為滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的決策依據(jù)。

2? 流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)優(yōu)化

流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)需要考慮軸承自身的幾何尺寸和轉(zhuǎn)速、油壓、環(huán)境溫度、偏心率等運(yùn)行參數(shù)，以及潤(rùn)滑油流量、摩擦功率，承載能力和油膜厚度關(guān)系等因素。需要先確保軸承可以得到足夠的潤(rùn)滑，傳導(dǎo)散熱能力達(dá)標(biāo)，可以適應(yīng)不利的工作狀態(tài)。需要考慮僅使用傳導(dǎo)散熱的情況下，軸承溫度升高后如何將溫度降到適宜范圍，保障滑動(dòng)軸承的穩(wěn)定工作狀態(tài)。在實(shí)際工作中，需要結(jié)合具體的要求，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并在試驗(yàn)運(yùn)行中驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，可以在工作中有效應(yīng)用。

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

原來(lái)的軸承設(shè)計(jì)參數(shù)為內(nèi)徑70mm，寬度90mm，寬徑比1.25;軸承間隙2D/1000，選用鑄鋼復(fù)合ZSnSb11Cu6材質(zhì);軸承比壓0.95MPa，小于最大許用比壓15MPa;油膜厚度最小為0.053mm，大于最小油膜厚度許用值0.009mm;軸承發(fā)熱量77.8W，小于箱體散熱量241W。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，軸承內(nèi)徑不變，寬度縮小為55mm，寬徑比0.75;軸承間隙在0.10mm到0.17mm之間，軸承材質(zhì)使用25號(hào)鋼復(fù)合ZSnSb11Cu6;軸承比壓1.55MPa，低于最大許用比壓;油膜厚度最小值0.063mm，大于最小許用厚度;軸承發(fā)熱量168.6W，小于箱體散熱量。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要對(duì)軸承寬度、軸承間隙、軸承材料等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，和原有設(shè)計(jì)作比較，軸承比壓、油膜厚度等有所變化。之所以如此設(shè)計(jì)，原因在于寬軸承的優(yōu)點(diǎn)在于油膜厚度均勻沒(méi)有發(fā)生變化，而當(dāng)出現(xiàn)非準(zhǔn)直或軸撓曲，會(huì)使大量載荷集中在一端，導(dǎo)致邊緣負(fù)載。只有將對(duì)油膜厚度影響控制在微米級(jí)內(nèi)，才能發(fā)揮寬軸承的優(yōu)勢(shì)。因此寬軸承裝配需要刮研來(lái)降低非準(zhǔn)直或軸撓曲的影響。而使用窄軸瓦，可以在科學(xué)設(shè)計(jì)和精加工的條件下，無(wú)需刮研即可獲得很好的效果。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)

在對(duì)滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還需要對(duì)軸承成品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間4個(gè)小時(shí)，載荷600N，軸承跨距1.2m，轉(zhuǎn)速2950r/min，電動(dòng)機(jī)功率400kW。在試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)滑動(dòng)軸承的振動(dòng)、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

試驗(yàn)過(guò)程中的最大振動(dòng)為2.1mm/s。在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的十分鐘內(nèi)，軸承溫度快速升高，這是由于軸承剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下供油不足，未能形成穩(wěn)定的動(dòng)壓油膜，存在干摩擦和邊界摩擦現(xiàn)象，摩擦系數(shù)大，溫升較快。

而在之后的2h內(nèi)，軸承溫度上升趨勢(shì)變緩。這一階段軸承傳導(dǎo)散熱量低于流體摩擦產(chǎn)生的熱流量，溫度繼續(xù)保持上升趨勢(shì)。但隨著箱體溫度升高，軸承傳導(dǎo)散熱量不斷增加，溫度上升趨勢(shì)開(kāi)始變緩。

在試驗(yàn)運(yùn)行最后的近2個(gè)小時(shí)內(nèi)，軸承溫度基本保持不變，處于穩(wěn)定運(yùn)行的工作狀態(tài)。經(jīng)過(guò)前期的過(guò)渡階段，軸承傳導(dǎo)散熱量與流體摩擦的熱流量逐漸形成平衡狀態(tài)，溫度上升出現(xiàn)停滯。

試驗(yàn)結(jié)束后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承總體溫升情況符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 試驗(yàn)后拆檢

在完成試驗(yàn)運(yùn)行后，對(duì)軸承進(jìn)行拆檢，重點(diǎn)檢查軸瓦、軸承處是否有明顯變化。經(jīng)過(guò)拆檢，發(fā)現(xiàn)上軸瓦處沒(méi)有明顯變化，下軸瓦磨合區(qū)均勻。這表明轉(zhuǎn)子僅有短時(shí)間內(nèi)的干摩和邊界摩擦現(xiàn)象，符合前文的分析結(jié)果，在剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)時(shí)沒(méi)有進(jìn)入液體摩擦狀態(tài)，會(huì)短暫出現(xiàn)干摩擦和邊界摩擦，正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中穩(wěn)定的動(dòng)壓油膜形成了液體摩擦，因此軸瓦區(qū)域沒(méi)有明顯的磨合現(xiàn)象。

但拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸瓦和軸表面出現(xiàn)多條劃痕。在試驗(yàn)前，軸瓦和軸表面光滑無(wú)劃痕，而試驗(yàn)運(yùn)行后出現(xiàn)明顯劃痕，且從進(jìn)油槽處開(kāi)始，分析原因是潤(rùn)滑油中雜質(zhì)較多導(dǎo)致。

拆檢結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的滑動(dòng)軸承性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。和原有設(shè)計(jì)相比，無(wú)需裝配作業(yè)時(shí)進(jìn)行刮研，降低裝配難度，提高裝配效率，滿足實(shí)際工作的要求。

因此，汽輪機(jī)流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅需要使用理論知識(shí)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，還需要結(jié)合實(shí)際工作需要，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，用理論來(lái)判斷設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，用實(shí)踐來(lái)證明設(shè)計(jì)的可行性和穩(wěn)定性。軸承設(shè)計(jì)工作需要相關(guān)人員擁有淵博的理論知識(shí)儲(chǔ)備和豐富的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，掌握軸承設(shè)計(jì)與運(yùn)行、維護(hù)等方面的知識(shí)和技巧。在軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮各方面因素，除了軸承自身參數(shù)外，重點(diǎn)考慮潤(rùn)滑油、供油方式等方面的因素，以及軸承運(yùn)行參數(shù)等情況，提高軸承設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和可行性。

3? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承在汽輪機(jī)等機(jī)械設(shè)備中得到廣泛性的應(yīng)用，而在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到各種微小的擾動(dòng)，影響軸承運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。而在滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)綜合考慮軸承自身因素、運(yùn)行參數(shù)等各方面情況，建立計(jì)算模型，并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)軸承成品進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)和拆檢，確保軸承設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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