靜壓推力軸承不同偏載距離潤滑性能對比

劉廣東 邵俊鵬 李天玉 藺彥龍 胡涌鑫 王啟龍

摘 要：以雙矩形腔多油墊靜壓推力軸承為研究對象，探討高速重載工況條件下偏載距離對承潤滑性能影響，并與中心加載時的潤滑性能進(jìn)行對比。運(yùn)用潤滑理論和摩擦學(xué)原理推導(dǎo)中心加載與偏載時雙矩形腔流量方程、溫升方程和油腔壓力方程，并進(jìn)行仿真分析。研究結(jié)果表明：當(dāng)載荷一定時，隨著偏移距離的增大，工作臺下沉側(cè)油膜厚度逐漸減小，油膜溫升和最大壓力逐漸增大;工作臺上升側(cè)油膜厚度逐漸增大，油膜溫升和最大壓力逐漸減小。偏載距離進(jìn)一步增加，靜壓軸承會出現(xiàn)失壓，發(fā)生摩擦學(xué)失效。

關(guān)鍵詞：靜壓推力軸承;雙矩形腔多油墊;偏載距離;潤滑性能對比;摩擦學(xué)失效

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.005

中圖分類號： TH133.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）03-0032-06

Lubrication Performance Comparison of Hydrostatic Thrust

Bearing with Different Offset Distances

LIU Guang-dong， Shao Jun-peng， Li Tian-yu， Lin Yan-long， Hu Yong-xin， Wang Qi-long

（School of Mechanical Power and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Taking the hydrostatic thrust bearing having double rectangular cavity multi-oil pad as the research object， the influence of the eccentric load distance on the bearing lubrication performance under high speed and heavy load conditions is discussed and compared with the lubrication performance at the center loading. The flow rate equation， temperature rise equation and oil cavity pressure are deduced and calculated by lubrication theory and tribology principle， and the simulation analysis is carried out. Research result shows that the load is constant， as the offset distance increases， the thickness of the oil film on the downside of the table gradually decreases， and the temperature rising and maximum pressure of the oil film gradually increase; the thickness of the oil film on the upside of the table gradually increases， and the temperature rising and maximum pressure of the oil film gradually decrease. The eccentric load distance is further increased， and the hydrostatic bearing will have a loss of pressure and tribological failure.

Keywords：hydrostatic thrust bearing; double rectangular cavity multi-oil pad; eccentric load distance; lubrication performance comparison; tribological failure

0 引 言

理想工作狀態(tài)下工件的質(zhì)心應(yīng)當(dāng)在回轉(zhuǎn)工作臺的中心，只施加中心載荷，但在實(shí)際加工過程中，受工件的形狀，質(zhì)量分布不均以及裝夾限制影響，工件質(zhì)心可能不在回轉(zhuǎn)工作臺中心，因此工作臺會在偏載作用下發(fā)生傾斜，可能會造成嚴(yán)重后果。因此研究偏載距離對靜壓推力軸承潤滑性能影響很有必要。

張文澤等[1]針對液壓缸受到徑向偏載力工況，設(shè)計了新型非對稱靜壓支承結(jié)構(gòu)，分別對傳統(tǒng)四墊靜壓支承和新型非對稱靜壓支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場仿真，對比在不同進(jìn)口壓力、不同活塞桿速度、不同偏心量下的壓力云圖分布及其摩擦力變化。符馬力[2]提出了利用當(dāng)量油膜厚度去計算液體靜壓轉(zhuǎn)臺傾斜軸系承載特性的當(dāng)量油膜厚度法。閆圣達(dá)[3]運(yùn)用CFD計算了得到油膜特性與偏心率之間的關(guān)系。邵俊鵬等[4]對液壓缸靜壓支承抗偏載特性進(jìn)行研究，分析靜壓支承結(jié)構(gòu)的摩擦力、泄漏量、壓力場特性、靜壓支承導(dǎo)向套抗偏載能力，得到了活塞桿運(yùn)動速度、偏心量、系統(tǒng)進(jìn)油流量和靜壓支承結(jié)構(gòu)承載能力、摩擦力、泄漏量之間的關(guān)系。訚耀保等[5]采用靜壓支承密封方式可平衡徑向偏載，以火箭推力矢量控制系統(tǒng)用液壓缸的偏載力與液壓缸自重及其擺動角加速度關(guān)系為基礎(chǔ)，探討靜壓支承流場模型壓力特性及溫度特性，確定了供油壓力、溫度、偏心等對靜壓支承時偏載能力影響，為優(yōu)化靜壓支承參數(shù)提供理論依據(jù)。吳勇等[6]針對大型工程結(jié)構(gòu)加載試驗的需求，研制一種高壓重型平面靜壓支承系統(tǒng)，應(yīng)用定比減壓閥和偏載自動補(bǔ)償閥，在保證承載能力的同時使靜壓支承油腔壓力跟蹤外負(fù)載變化。提高靜壓支承的油膜剛度，同時實(shí)現(xiàn)靜壓支承系統(tǒng)的抗偏載能力。林祿生[7]研究了一種基于動網(wǎng)格技術(shù)的流固耦合方法計算了動態(tài)載荷作用下轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的軸心軌跡。Xu[8]利用FLUENT軟件對定流量條件下的重型靜壓軸承在中心加載時的壓力分布和流量分布進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。Liu Zhifeng9 研究了靜壓支承工作臺旋轉(zhuǎn)時熱變形和主軸傾斜對承載性能的影響，主軸傾斜對潤滑性能影響很大，油膜剛度最大能下降50%，其它潤滑性能均受很大影響。于曉東和張艷芹等[10-15]對中心加載潤滑性能進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究，所得結(jié)論為靜壓支承偏載性能研究提供了行之有效的方法。

上述研究主要對液壓缸受偏載及在中心加載工況下潤滑特性進(jìn)行了研究，得出了很重要的結(jié)論，但在偏載性能方面的研究鮮為人知。故以雙矩形腔多油墊靜壓推力軸承為研究對象，推導(dǎo)了其中心加載與偏載時的理論公式，并進(jìn)行模擬仿真，得出了中心加載與不同偏載距離的潤滑性能。

1 雙矩形腔靜壓推力軸承工作原理及結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 靜壓推力軸承工作原理

如圖1所示，靜壓推力軸承通過油泵1向各油腔內(nèi)供油，回轉(zhuǎn)工作臺3被頂起，液壓油沿封油邊流出，形成具有一定壓力的油膜，工作臺3和底座2被油膜完全隔開，靜壓推力軸承處于流體潤滑狀態(tài)[16-18]。

2.2 靜壓推力軸承結(jié)構(gòu)尺寸

雙矩形腔結(jié)構(gòu)尺寸及中心加載時流體流動如圖2所示。

2 靜壓推力軸承中心加載與偏載潤滑理論計算

依據(jù)平行平板流量公式推導(dǎo)得

qx=h3（L+l）12μt·ΔpB-b（1）

qy=h3（B+b）12μt·ΔpL-l（2）

則總流量為：

Q=qx+qy=h3·Δp6μt（L+lB-b·B+bL-l）（3）

式中：Δp為平板兩端壓力差;h為平板之間距離;μt為潤滑油的運(yùn)動黏度。

則油墊承載能力可取為：

W0=p0LB（1-l1L）（1-b1B）=p0（L-l1）（B-b1）（4）

承受偏載時旋轉(zhuǎn)工作臺位姿及各油腔分布情況如圖3所示。

中心加載時油腔壓力為p0，油腔1下降到p1，油腔7上升到p7。同上，油腔2、3、11、12的壓力下降，而油腔5、6、8、9的壓力上升，油腔4和油腔10的壓力不變，油腔壓力為

p1=p0（1+εM）3（5）

p7=p0（1-εM）3（6）

p2=p12=p0（1+32εM）3（7）

p3=p11=p0（1+12εM）3（8）

p4=p10=p0（9）

p5=p9=p0（1-12εM）3（10）

p6=p8=p0（1-32εM）3（11）

式中：εM=h0/eM;εM為在傾覆力偶矩M作用位移最大處的位移率;eM為變化的位移;h0為初始位移。

3 油膜三維模型建立與網(wǎng)格劃分

3.1 油膜三維模型

本研究靜壓推力軸承共有12個油墊，中心加載時各油墊狀況相同，只研究一個油墊的潤滑性能。偏載狀況時，各油墊參數(shù)不同，受限于計算機(jī)性能，通過對稱的6個油膜來進(jìn)行分析，如圖4和圖5所示。

3.2 油膜網(wǎng)格劃分

將油膜模型導(dǎo)出為.x.t文件，導(dǎo)入到ANSYS ICEM CFD軟件中，單位設(shè)置為mm。創(chuàng)建模型的part，設(shè)定IN1、IN2、OUT1、OUT2、OUT3、OUT4、INTERFACE1、INTERFACE 2、ROTATE、WALL等定義面。采用自上而下的劃分方法來創(chuàng)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最后生成網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格質(zhì)量，如圖6和圖7所示。

4 中心加載與偏載距離對油墊潤滑性能模擬仿真

研究中心加載與不同偏移距離對油墊潤滑性能的影響，并油膜溫度場和壓力場。因靜壓推力軸承在實(shí)際工作時的偏移量很小，故取最大偏移量為200mm進(jìn)行分析，從偏移0mm開始（即中心加載），以20mm為單位依次增加至200mm，即，加載偏移距離為0、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200mm。受篇幅限制，給出12t工況下對應(yīng)不同偏移距離的結(jié)果。

載荷為12t時不同偏移距離的油膜溫度場如圖8到圖10所示。

由圖8至10可知，油膜溫度場分布呈不均勻狀態(tài)。線速度越大兩表面摩擦產(chǎn)生的熱量越大，故油膜沿半徑方向向外的溫度逐漸增大。并且油膜越薄，散熱性越差，在封油邊處油膜溫度偏高，油腔處油膜溫度偏低，最高溫度出現(xiàn)在外側(cè)封油邊處。載荷不變時，偏移距離增大時，工作臺下傾側(cè)油膜厚度逐漸減小，溫升逐漸增大;工作臺上傾側(cè)油膜厚度逐漸增大，溫升逐漸減小。

載荷為12t時不同偏移距離下油膜壓力場如圖11到圖13所示。

從壓力場云圖可以看出雙矩形腔中徑向內(nèi)側(cè)的油腔的壓力低于徑向外側(cè)的壓力。一方面是因為線速度與產(chǎn)生的動壓成正比關(guān)系。另一方面是因為雙矩形腔外腔進(jìn)油口在順流側(cè)，內(nèi)腔的進(jìn)油口是在逆流側(cè)，外腔總的壓力為順流側(cè)進(jìn)口產(chǎn)生的靜壓力與油墊封油邊動壓力疊加的結(jié)果，雙矩形腔外腔壓力要高于內(nèi)腔壓力。偏載時工作臺下沉側(cè)油膜厚度比中心加載小，故下沉側(cè)油膜最大壓力均比中心加載大。工作臺上升側(cè)油膜厚度比中心加載大，故上升側(cè)油膜最大壓力均比中心加載小。在流量和回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，通過控制變量的方法，當(dāng)載荷在一定時，隨著偏移距離增大，工作臺下傾側(cè)油膜厚度逐漸減小，最大壓力逐漸增大。工作臺上傾側(cè)油膜厚度逐漸增大，最大壓力逐漸減小。

5 結(jié) 論

基于流體動力學(xué)、潤滑理論、靜壓技術(shù)和摩擦學(xué)理論等推導(dǎo)出靜壓推力軸承中心加載與偏載雙矩形腔油腔壓力方程、流量方程。發(fā)現(xiàn)各個油膜溫度場分布都呈不均勻狀態(tài)，徑向向外溫度逐漸增大，封油邊溫度高于油腔內(nèi)溫度，最高溫升出現(xiàn)在外側(cè)油腔封油邊上。壓力場分布亦不均勻，雙矩形腔外腔壓力要高于內(nèi)腔壓力，順流側(cè)壓力要高于逆流側(cè)壓力。當(dāng)載荷一定時，隨著偏移距離的增大，工作臺下沉側(cè)油膜厚度逐漸減小，油膜溫升和最大壓力逐漸增大。工作臺上升側(cè)油膜厚度逐漸增大，油膜溫升和最大壓力逐漸減小。若工況進(jìn)一步惡劣，靜壓推力軸承將出現(xiàn)失壓現(xiàn)象，導(dǎo)致摩擦學(xué)失效發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王 萍）