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)過程中，電機(jī)噪聲、溫度、振動(dòng)等因素都會(huì)對軸承的使用壽命造成影響，而一旦軸承發(fā)生故障問題，將帶來難以預(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。此外，滑動(dòng)軸承對徑向尺寸要求較低，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)下帶入潤滑油自動(dòng)形成壓力來承載載荷，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，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，延長使用壽命，成為研究領(lǐng)域的重點(diǎn)熱門課題。

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)潤滑油溫度過高，會(huì)使?jié)櫥驼扯冉档停绊懹湍こ休d力，可能引發(fā)潤滑失效的嚴(yán)重后果。因此，需要對流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承運(yùn)行過程中的影響因素有準(zhǔn)確了解，結(jié)合實(shí)際使用工況對滑動(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)速增加的過程中，軸瓦溫度呈現(xiàn)上升趨勢，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)間測試，數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明軸瓦溫度場分別情況隨著油壓增加沒有明顯變化，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。潤滑油需要經(jīng)過預(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)潤滑油粘度較高，流動(dòng)的阻力系數(shù)高，潤滑油在油槽處聚集，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。因此寬軸承裝配需要刮研來降低非準(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)

在對滑動(dòng)軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還需要對軸承成品進(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)行過程中，對滑動(dòng)軸承的振動(dòng)、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

試驗(yàn)過程中的最大振動(dòng)為2.1mm/s。在開始運(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。但隨著箱體溫度升高，軸承傳導(dǎo)散熱量不斷增加，溫度上升趨勢開始變緩。

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)過前期的過渡階段，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)過拆檢，發(fā)現(xiàn)上軸瓦處沒有明顯變化，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，在剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)和停機(jī)時(shí)沒有進(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)域沒有明顯的磨合現(xiàn)象。

但拆檢過程中發(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)油槽處開始，分析原因是潤滑油中雜質(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，用理論來判斷設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，用實(shí)踐來證明設(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

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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