考慮氣穴效應(yīng)的螺旋槽滑動軸承潤滑性能研究*

奚圣賢 ， 陳 宇 ， 于慶龍 ， 肖宇婷

（江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

大型旋轉(zhuǎn)機械是以轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為工作主體的機械裝備，在電力、航空、機械、化工等領(lǐng)域中起著重要的作用。滑動軸承作為支撐旋轉(zhuǎn)機械的主要形式，具有承載能力大、耐沖擊、抗震好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機械中。隨著旋轉(zhuǎn)機械在大型化和重載化環(huán)境下工作頻率的增加，對于滑動軸承支撐性能和穩(wěn)定性要求也不斷提高，但是隨著對傳統(tǒng)滑動軸承的深入研究，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)滑動軸承動力特性分析中，軸與軸承之間充滿的為理想潤滑油，忽略了空化效應(yīng)對滑動軸承穩(wěn)定性、承載能力等性能參數(shù)的影響。然而，空化現(xiàn)象的存在會造成承載能力下降、軸承使用壽命縮短[1-2]。因此，考慮空化效應(yīng)下的滑動軸承油膜的動力特性研究具有重要的意義。

針對滑動軸承動力特性問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者進行了相關(guān)研究。例如，Vincent等[3]利用數(shù)值方法研究了氣液兩相流對滑動軸承壓力的影響，得到氣液兩相流下壓力分布情況。Guo等[4]考慮氣穴效應(yīng)下，應(yīng)用Reynolds方程進行浮動襯套軸承的穩(wěn)定性計算。Sfyris和Chasalevris[5]在忽略粗糙度的前提下，采用數(shù)值方法研究了氣穴現(xiàn)象對滑動軸承潤滑能力的影響。Liu和Li等[6]研究了氣穴效應(yīng)對高速滑動軸承承載性能的影響，并進行了試驗對比分析。雖然以上的研究方法與傳統(tǒng)計算方法相比，更為準(zhǔn)確地研究了滑動軸承的動力特性，但研究對象為高速輕載滑動軸承，不能滿足大型低速重載滑動軸承的使用需求。因此,大型低速重載軸承動力特性的研究對滑動軸承設(shè)計工作具有重要的意義。

本課題組針對以上研究情況，基于流體動力學(xué)理論和摩擦學(xué)相關(guān)理論，建立了一種大型重載滑動軸承的兩相流計算學(xué)模型。為了準(zhǔn)確研究軸承動力特性，將數(shù)值仿真計算結(jié)果與文獻[7]相對比，驗證了仿真模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，以高速重載壓力機支撐軸承為對象進行了穩(wěn)定狀態(tài)下的動力特性研究。

1 數(shù)學(xué)模型

選取徑向滑動軸承為研究對象，滑動軸承系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中，X、Y、Z分別為軸承水平方向、豎直方向和寬度方向。外力F施加在軸上，軸以角速度ω軸向旋轉(zhuǎn)，從而可使軸與軸承之間油膜產(chǎn)生壓力以抵消施加在軸上的外載荷。由于被研究的滑動軸承是大型重載支撐軸承，同一般滑動軸承相比更容易發(fā)生變形和接觸，因此需要使用合理的方程對它的性能進行研究[8]。不考慮溫度因素對滑動軸承潤滑油膜流場的影響，并假設(shè)流動狀態(tài)為層流，油膜區(qū)域內(nèi)的流體需要同時滿足質(zhì)量方程和動量方程。

圖1 含間隙轉(zhuǎn)動副運動狀態(tài)圖

1.1 質(zhì)量守恒方程

在進行計算流體動力學(xué)分析時，首先將流體區(qū)域劃分為有限個流體微團，再對每一個微團進行分析，將潤滑油視為不可壓縮流體，流場中各流體微團均須滿足連續(xù)性條件[9]，即質(zhì)量守恒方程：

式中，ρ為潤滑油密度；為流體運動速度矢量。

1.2 動量守恒方程

除了滿足質(zhì)量守恒方程之外，潤滑油運動同時也應(yīng)該滿足動量方程[10]：

1.3 氣穴方程

由于發(fā)散間隙區(qū)域油膜壓力為非正值，這將導(dǎo)致油膜破裂從而發(fā)生氣穴現(xiàn)象，因此需要基于兩相流模型分析氣穴因素的影響。當(dāng)流場壓力為負(fù)值時，液相潤滑油汽化為潤滑油蒸汽，同時也伴隨有潤滑油蒸汽凝聚為液相潤滑油的過程[11]。當(dāng)油壓為飽和蒸汽壓力值時，兩相潤滑油的相互轉(zhuǎn)化達到動態(tài)平衡，各相成分值處于穩(wěn)定值，氣穴方程如下：

式中，ρm為潤滑油混合物平均密度；為氣泡速度矢量；f是氣相質(zhì)量分?jǐn)?shù)；γ是有效交換系數(shù)；Re和Rc分別為氣穴的生產(chǎn)率和凝聚率。

2 軸承油膜壓力計算

為了提高計算的準(zhǔn)確性，考慮氣穴現(xiàn)象對滑動軸承的性能影響，特作如下假設(shè)：因為軸瓦的變形較小，所以在計算時不考慮軸瓦的變形，認(rèn)為滑動軸承油膜外表面是無限剛度的。軸與軸承間隙內(nèi)部流場中，流體看成不可壓縮流體且流態(tài)為三維定常流動。忽略溫度的影響，假設(shè)計算模型在絕熱的條件下潤滑油的黏度是常數(shù)。潤滑油通過油口進入油腔內(nèi)部，經(jīng)計算得Re小于2 300，油腔內(nèi)部為層流狀態(tài)。

為了對本課題組計算方法進行有效性分析，取與文獻[7]中相同的輸入?yún)?shù)，軸承的直徑為100 mm，寬度為50 mm，間隙為0.052 mm，轉(zhuǎn)速為600 rpm，潤滑油的黏度為0.048 Pa·s。如圖2所示為文獻[7]的實驗結(jié)果與本課題組計算結(jié)果的比較。通過對比發(fā)現(xiàn)，它們的壓力分布相同且數(shù)值相差很小，吻合度較好，這表明本課題組所述的計算方法能有效地進行滑動軸承系統(tǒng)性能的分析。

圖2 仿真與實驗結(jié)果對比

3 螺旋槽滑動軸承潤滑性能分析

為給大型低速重載滑動軸承的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)，研究中采用上述建模計算方法改變高速重載壓力機支撐軸承的轉(zhuǎn)速、偏心率等宏觀參數(shù)，針對這些參數(shù)對軸承承載能力和空化的影響規(guī)律進行研究，螺旋槽軸承潤滑系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 軸承潤滑系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

3.1 離心率對軸承潤滑性能影響

如圖3所示，在轉(zhuǎn)速為600 rpm時，離心率與油槽個數(shù)對螺旋槽滑動軸承潤滑性能的耦合作用規(guī)律，從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)離心率的增加會引起螺旋槽滑動軸承承載力的增加。同時還可以發(fā)現(xiàn)，相同離心率條件下，油槽數(shù)量的增加會引起螺旋槽滑動軸承承載力的下降。螺旋槽滑動軸承承載力與油膜壓力分布和大小密切相關(guān)，由油膜最大壓力的變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，油槽個數(shù)和離心率的增加都會引起油膜壓力大小的波動。此外，隨著油膜壓力與承載力的增加，軸承梯度角逐漸減小，這說明油膜支承力的位置隨之變化，逐漸向負(fù)載作用力的反向移動。隨著離心率的增加，軸承摩擦力矩逐漸增大，尤其在離心率為0.6至0.7區(qū)間內(nèi)增長非常明顯。當(dāng)離心率超過0.7后，摩擦力矩增加緩慢，逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)，而油槽個數(shù)的減少可以降低摩擦力矩的產(chǎn)生。

圖3 離心率對軸承潤滑特性影響

3.2 轉(zhuǎn)速對軸承潤滑性能影響

以離心率0.6為計算條件，如圖4所示為不同轉(zhuǎn)速（400 rpm，600 rpm，800 rpm，1 000 rpm）下，轉(zhuǎn)速與螺旋槽滑動軸承潤滑性能之間的耦合作用規(guī)律。在低轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槽滑動軸承承載力與油膜壓力明顯增加，尤其是油槽數(shù)量較多的條件下。隨著轉(zhuǎn)速超過800 rpm，承載力和油膜壓力增長逐漸平緩。與不同離心率狀態(tài)下螺旋槽滑動軸承潤滑性能計算結(jié)果相似，油槽數(shù)量的增加會降低螺旋槽滑動軸承的承載力。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸承梯度角急劇下降，尤其是在轉(zhuǎn)速達到800 rpm后。這是由于轉(zhuǎn)速的增加促使油膜分布壓力及位置的改變，這將會引起最小油膜厚度位置的變化，從而改變油膜承載力的作用方向。從螺旋槽滑動軸承摩擦力矩變化曲線可以看出，隨著軸承油膜壓力的增大，其分子間相互作用力也逐漸增大，從而導(dǎo)致分子間相對運動更加激烈，摩擦力矩的改變會引起旋槽滑動軸承能量損失的變化。

圖4 轉(zhuǎn)速對軸承潤滑特性影響

4 結(jié)論

本課題組基于流體動力潤滑理論及多相流理論，建立了螺旋槽滑動軸承的多相流潤滑性能分析模型，將仿真計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果相對比，驗證了本課題組所提出方法的有效性，并考慮了螺旋槽滑動軸承工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，相對分析了氣穴效應(yīng)對螺旋槽滑動軸承動力學(xué)特性的影響，得出以下結(jié)論：

1）研究發(fā)現(xiàn)氣穴效應(yīng)對螺旋槽滑動軸承的潤滑性能有很大影響，油槽個數(shù)對軸承承載能力的影響更是不可忽略的。因此，在研究滑動軸承性能時必須考慮氣穴的影響。

2）隨著偏心率的增加，梯度角逐漸減小，但油膜最大壓力和承載能力都逐漸增加。雖然隨偏心率的增加，軸承摩擦力矩增加，但增長速度較慢。由此可見，提高軸承的偏心率可以改善軸承的潤滑能力。

3）對不同參數(shù)條件下的油膜的動力特性模擬分析比較表明，油膜壓力的變化趨勢與軸承承載能力變化趨勢相似，油膜承載能力隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，但是增大幅度逐漸趨緩。相對偏心率影響而言，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸承的摩擦力矩增長速度較快。