考慮軸頸傾斜的智能水潤滑軸承潤滑特性分析

張 楠， 王 楠,2， 景 敏,2*， 趙一帆， 張興慧

(1.陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 漢中 723000)

近年來，綠色海洋發(fā)展理念成為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指導(dǎo)，而海洋機(jī)械設(shè)備中的潤滑油脂泄露，會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成不同程度的污染和破壞。軸承作為機(jī)械設(shè)備的重要部件，潤滑介質(zhì)由油轉(zhuǎn)變?yōu)樗?，可以大大減少環(huán)境污染、能源損耗等方面的問題，已廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)、艦艇、深水泵等領(lǐng)域[1-2]。但水的低粘度特性導(dǎo)致其難以形成有效的潤滑膜，因此水潤滑軸承潤滑機(jī)理一直是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)水膜壓力、水膜厚度及水膜剛度的深入研究有助于反映水潤滑軸承的真實(shí)特性[3]。值得注意的是，當(dāng)軸承運(yùn)行時(shí)，由于內(nèi)部流場運(yùn)動(dòng)不均勻、軸頸受載及自身重力等因素，導(dǎo)致軸頸產(chǎn)生傾斜，使得軸承的潤滑性能發(fā)生改變，因此，對(duì)傾斜狀態(tài)下的水潤滑軸承潤滑特性進(jìn)行研究十分必要。

水潤滑軸承由于安裝于密閉腔體內(nèi)，軸承的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)無法在外部觀察，潤滑膜特性參數(shù)難以獲得。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)傾斜狀態(tài)下的水潤滑軸承內(nèi)部潤滑區(qū)域展開了研究，王亞兵等[4-5]針對(duì)船舶艉軸承軸頸受載傾斜問題進(jìn)行研究，分析了傾斜角度變化對(duì)軸承靜態(tài)特性參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性系數(shù)的影響；謝夢(mèng)斌等[6]建立熱流固耦合模型，研究了水膜對(duì)水潤滑軸承橡膠襯套的熱傳遞及受力變形規(guī)律；杜媛英等[7-8]研究了軸頸傾斜與軸瓦表面粗糙度綜合作用下，對(duì)水潤滑橡膠軸承的影響；歐陽武等[9]在考慮軸頸彎曲狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)軸頸彎曲線導(dǎo)致軸承兩端的水膜壓力達(dá)到峰值，導(dǎo)致潤滑性能分布向一側(cè)聚集。LV Fang-rui等[10-11]提出了一種考慮湍流的軸頸傾斜混合潤滑分析方法，研究結(jié)果表明軸頸傾斜導(dǎo)致液膜厚度降低，湍流狀態(tài)增加了滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，降低了混合潤滑向流體潤滑過渡的速度。

迄今為止，關(guān)于軸頸傾斜對(duì)于滑動(dòng)軸承影響的研究，大都未研究軸頸變形規(guī)律。當(dāng)軸承系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水膜壓力使得橡膠軸瓦與軸頸產(chǎn)生變形，而這些變形將影響水膜的分布，特別是本文的研究對(duì)象——智能水潤滑軸承[12-13]，由于其在軸瓦上開槽嵌入微傳感器，軸頸傾斜將對(duì)軸承潤滑特性產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響。本文采用“流固耦合模型”，建立嵌入式智能水潤滑軸承模型，探究軸頸傾斜對(duì)軸承潤滑特性的影響。

1 智能水潤滑軸承系統(tǒng)

根據(jù)水潤滑軸承的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境，嵌入微傳感器來準(zhǔn)確測(cè)量水膜壓力、厚度和剛度等參數(shù)。與傳感器安裝及數(shù)據(jù)采集傳輸有關(guān)的智能水潤滑軸承系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。由于軸承處在密閉空間，無線信號(hào)會(huì)受到屏蔽，因此擬將無線采集發(fā)射設(shè)備安裝于右側(cè)端蓋處，端蓋打一小孔，傳感器輸出線嵌入軸承溝槽、穿過小孔經(jīng)過導(dǎo)電滑環(huán)與無線采集發(fā)射設(shè)備連接，采用無線供電裝置對(duì)無線采集發(fā)射設(shè)備進(jìn)行在線供電，同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的過程中將軸承水膜壓力信號(hào)傳至轉(zhuǎn)子系統(tǒng)外部，由無線傳感接收設(shè)備將信號(hào)接收并送至上位機(jī)軟件進(jìn)行處理與分析。上位機(jī)軟件根據(jù)采集到的信息對(duì)軸承運(yùn)行狀況加以判定，若軸承運(yùn)行狀況出現(xiàn)異常，則可通過軟件調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)(如電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁加載力、供水壓力等)，傳感器繼續(xù)采集軸承狀態(tài)信息并將之反饋至上位機(jī)，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)自我調(diào)控動(dòng)作完成。軸系加載方式選用電磁加載，試驗(yàn)臺(tái)采用軸向供水方式。

1.電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.軸；4.滾珠軸承1；5.電磁加載裝置；6.軸承支撐；7.軸承外殼；8.橡膠軸瓦；9.導(dǎo)電滑環(huán)；10.無線采集發(fā)射設(shè)備；11.動(dòng)平衡裝置；12.無線供電裝置；13.電磁加載裝置；14.滾珠軸承2；15.底座；16.進(jìn)水管；17.出水管；18.動(dòng)力柜；19.水箱；20.水泵；21.壓力閥；22.電磁調(diào)節(jié)閥；23.溫度計(jì)；24.電磁流量計(jì)；A.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；B.渦流傳感器；C.薄膜壓力傳感器；D.力傳感器；E.電流傳感器

2 軸頸傾斜時(shí)的水潤滑軸承數(shù)學(xué)模型

圖2為水潤滑軸承軸頸傾斜示意圖，其中O1、O2分別為軸承的中心和軸頸的中心。

圖2 水潤滑軸承軸頸傾斜示意圖

本文對(duì)水潤滑軸承承載能力的研究計(jì)算中，主要采用流體力學(xué)的基本原理推導(dǎo)出二維雷諾方程[8]：

(1)

(2)

其中R為軸頸的半徑，c為軸承半徑間隙，d為軸承直徑，l為軸承長度。

軸頸無傾斜時(shí)，其水膜厚度方程為

h=c+ecos(θ-φ)+δ+ε，

(3)

式中e為軸承偏心距，φ為偏位角，δ為橡膠變形量，ε為軸頸變形量。

軸頸傾斜時(shí)，不同截面軸心位置不同，偏心距e和偏位角φ可變?yōu)殛P(guān)于y的函數(shù)，可得軸頸傾斜時(shí)水膜厚度方程為

h(y)=c+e(y)cos(θ-φ(y))+δ+ε，

(4)

水膜承載力可由水膜壓力反映，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

F=?pdxdy。

(5)

3 物理模型的建立與仿真分析

3.1 仿真模型

本文以十溝槽水潤滑橡膠軸承為研究對(duì)象，軸瓦材料為橡膠，軸頸材料為45鋼，板條結(jié)構(gòu)為凹面，溝槽形狀為半圓形，其主要參數(shù)見表1。研究重點(diǎn)為水膜與軸瓦、軸頸之間相互作用關(guān)系，因此應(yīng)用有限元分析軟件建立耦合模塊，分析軸頸受載傾斜對(duì)表征水潤滑軸承潤滑特性參數(shù)的影響。

表1 十溝槽水潤滑軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

參照表1水潤滑軸承幾何結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，建立流體域與固體域模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流體域模型采用掃掠法(Sweep Meshing)進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為583 679，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為930 900，平均正交質(zhì)量(Orthogonal Quality)為0.87。固體域模型包括橡膠軸瓦與軸頸兩部分，網(wǎng)格尺寸單元設(shè)置為2 mm，網(wǎng)格數(shù)量為1 716 690，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為3 758 522，平均正交質(zhì)量(Orthogonal Quality)為0.84。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)流體域 (b)固體域(橡膠軸瓦) (c)固體域(軸頸)

水潤滑橡膠軸承的流體域模型與固體域模型邊界參數(shù)分別進(jìn)行設(shè)定。

流體域邊界條件設(shè)置：入口壓力設(shè)置為0.3 MPa，出口壓力為0 Pa，流體域內(nèi)壁面為與軸頸流固耦合交界面，外壁面為與橡膠軸瓦流固耦合交界面；求解器基于壓力速度耦合算法(SIMPLE)，動(dòng)量方程、湍流能量方程設(shè)置為二階迎風(fēng)式，收斂殘差為0.001。

固體域邊界條件設(shè)置：軸瓦外表面設(shè)置為固定表面，軸頸設(shè)為繞Y軸旋轉(zhuǎn)，并施加徑向載荷400 N。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 軸頸傾斜與無傾斜時(shí)仿真結(jié)果對(duì)比

圖4(a)是軸頸轉(zhuǎn)速為900 r/min，軸頸傾斜角度為0.057°，施加徑向載荷400 N，供水壓強(qiáng)為0.3 MPa時(shí)的水膜壓力分布圖。水從入口沿軸向方向流入，軸頸在旋轉(zhuǎn)的過程中，帶動(dòng)內(nèi)部流體旋轉(zhuǎn)，水膜壓力分布沿旋轉(zhuǎn)方向偏移，最大水膜壓力在入口處，為0.272 8 MPa。圖4(b)為軸頸傾斜0.057°與無傾斜時(shí)不同截面水膜壓力對(duì)比圖，可以看出，在0°～360°的范圍內(nèi)，當(dāng)軸頸無傾斜時(shí)，軸承內(nèi)部水膜壓力分布均勻。當(dāng)軸頸傾斜0.057°時(shí)，水膜壓力產(chǎn)生偏移，最大水膜壓力由0.23 MPa上升至0.27 MPa，左下方壓力峰值最大。無論在傾斜還是無傾斜狀態(tài)下，都形成10個(gè)壓力峰值，板條處壓力高于溝槽處，這是由于軸承溝槽形成了楔形區(qū)域，進(jìn)而產(chǎn)生了動(dòng)壓力，出現(xiàn)了壓力峰值；軸瓦開槽處也產(chǎn)生了相對(duì)較小的水膜壓力，這是由于軸承運(yùn)行時(shí)，少量潤滑介質(zhì)存儲(chǔ)于凹槽內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)摩擦副表面發(fā)生二次相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凹槽受壓產(chǎn)生變形的狀況下，部分潤滑劑被擠壓出，產(chǎn)生了正壓力；同時(shí)，從入口到出口，水膜壓力沿軸向遞減，在出口處壓力幾乎降為0。

圖4 水膜壓力分布圖

圖5為軸頸傾斜0.057°軸瓦與軸頸的變形分布云圖。從圖5(a)可以看出，由于受進(jìn)口水壓沖擊作用，橡膠軸瓦產(chǎn)生的變形主要集中于入口軸頸傾斜下沉端，沿軸向呈弧狀的梯度分布，并沿軸向遞減；其次，軸頸存在傾斜現(xiàn)象，軸承左下方的間隙減小，流體的動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，壓力峰值向軸頸下沉方向移動(dòng)，且軸承入口右側(cè)處于水膜正壓力集中區(qū)，受到較大壓力而產(chǎn)生壓縮變形。圖5(b)是軸頸傾斜時(shí)的軸頸變形分布，由于軸頸材料為45鋼，剛度很大，因此軸頸變形量很小，軸頸傾斜導(dǎo)致擠壓效應(yīng)增強(qiáng)，最大變形發(fā)生在入口端，且向靠近軸瓦方向移動(dòng)，最大變形為8.835 4 μm。

(a)軸瓦 (b)軸頸

軸頸傾斜0.057°與無傾斜狀態(tài)下入口變形分布如圖6所示?？梢?，在軸載荷相同的情況下，計(jì)入軸頸傾斜時(shí)，軸瓦的變形分布形態(tài)發(fā)生了變化，且傾斜狀態(tài)下的變形量高于無傾斜狀態(tài)下的變形量。這是由于無傾斜時(shí)，水膜壓力均布于軸承內(nèi)部，計(jì)入軸頸傾斜時(shí)，軸承的水膜壓力分布產(chǎn)生偏移，傾斜時(shí)水膜壓力最大位置逐漸移至軸頸下沉端，軸頸的傾斜程度越大，造成軸瓦的變形程度越大。

(a)傾斜0.057°狀態(tài) (b)無傾斜狀態(tài)

為最大程度接近水膜，獲取準(zhǔn)確的水膜壓力數(shù)據(jù)，在軸承承載區(qū)選擇4個(gè)軸瓦板條，每個(gè)板條在其中間位置沿軸向開兩個(gè)槽嵌入薄膜壓力傳感器，選擇開槽尺寸為22 mm×8 mm×1 mm。圖7為軸頸傾斜0.057°狀態(tài)與無傾斜狀態(tài)開槽處上下邊緣軸瓦變形分布對(duì)比，由圖中可以看出，開槽處軸瓦上邊緣的變形高于下邊緣的變形，最大變形量約是下邊緣最大變形量的1.87倍；傾斜狀態(tài)下變形高于無傾斜狀態(tài)下的變形，其最大變形量約是無傾斜狀態(tài)下的1.17倍。

(a)上邊緣 (b)下邊緣

3.2.2 軸頸傾斜角度對(duì)軸承特性影響分析

相同運(yùn)行參數(shù)下，軸瓦與軸頸最大變形量隨軸頸傾斜角度的變化情況如圖8所示。隨著傾斜角度的增大，水潤滑橡膠軸承軸瓦與軸頸的變形明顯增加。傾斜角度較小時(shí)(如0°～0.016°)，軸瓦變形幅度較小，軸瓦最大變形由0.004 0 μm增加到0.004 2 μm，增幅為5%，開槽處的最大變形由0.001 4 μm增加到0.001 8 μm，增幅為28.57%，軸頸最大變形由0.007 50 μm增加到0.007 61 μm，增幅為1.467%；當(dāng)傾斜角度增加到一定程度時(shí)(如0.016°～0.057°)，軸瓦的變形呈指數(shù)式增長，軸瓦最大變形量增加量為364 μm，開槽處軸瓦最大變形量增加量為42.7 μm，軸頸的最大變形量增加量為8.82 μm。由此可見，軸頸傾斜對(duì)軸瓦造成的影響遠(yuǎn)大于對(duì)軸頸的影響，過大的傾斜角度可能導(dǎo)致軸承磨損嚴(yán)重，極易出現(xiàn)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡的狀況，應(yīng)盡可能避免軸頸傾斜。

圖8 不同傾斜角度下軸瓦與軸頸的最大變形量 圖9 不同傾斜角度下水膜壓力與水膜承載力

圖9為相同運(yùn)行參數(shù)下，水膜壓力及承載力隨軸頸傾斜角度的變化情況。隨著傾斜角度的增加，壓力峰值明顯增加。當(dāng)傾斜角度從0°增加到0.057°時(shí)，最大水膜壓力增加了38.2 kPa，這是由于軸頸的傾斜角度越大，最小水膜厚度越小，水膜壓差增大，軸頸旋轉(zhuǎn)造成的軸頸與軸瓦之間的擠壓效應(yīng)愈加明顯，因此造成水膜壓力升高。由于水的粘度很低，因此水潤滑橡膠軸承在軸頸無傾斜時(shí)，幾乎沒有承載力，當(dāng)軸頸傾斜時(shí)，水膜高壓區(qū)集中在狹小的楔形區(qū)域內(nèi)，流體動(dòng)壓效應(yīng)也逐步增強(qiáng)，水膜承載力也隨傾斜角度的增大而增大，如軸頸傾斜角度由0°增加到0.057°，水膜承載力增加了493.243 N。

3.2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜狀態(tài)下軸承特性影響分析

在軸頸傾斜時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下軸瓦、軸瓦開槽處及軸頸的變形情況如圖10所示。在軸頸轉(zhuǎn)速增大的過程中，流體動(dòng)壓效應(yīng)增大，承載區(qū)水膜壓力增大，對(duì)軸瓦與軸頸的沖擊增大，導(dǎo)致橡膠軸瓦變形程度隨之提升，但軸頸變形程度相對(duì)較低；軸頸的傾斜角度越大，變形越明顯。當(dāng)軸頸傾斜角度為0.032°、轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，軸瓦最大變形量為352.51 μm，開槽處最大變形量為26.717 μm，軸頸最大變形量為5.560 μm；當(dāng)軸頸傾斜角度為0.057°、轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，軸瓦最大變形量為365.92 μm，開槽處最大變形量為42.79 μm，軸頸最大變形量為8.846 μm；當(dāng)軸頸傾斜角度由0.032°增加至0.057°、轉(zhuǎn)速由300 r/min上升至1200 r/min時(shí)，軸瓦最大變形量增長了13.41 μm，而軸頸最大變形量僅增長了3.286 μm。由此可以看出，軸頸傾斜時(shí)，提高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致軸瓦與軸頸的變形加劇，對(duì)軸瓦造成的影響大于對(duì)軸頸造成的影響。

(a)軸瓦 (b)軸瓦開槽處 (c)軸頸

水膜壓力及承載力隨轉(zhuǎn)速的變化情況如圖11所示。當(dāng)軸頸傾斜角度為0.032°、轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，最大水膜壓力為0.230 8 MPa，水膜承載力為260.445 N；當(dāng)軸頸傾斜角度為0.057°、轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，最大水膜壓力為0.273 6 MPa，水膜承載力為498.6 N；當(dāng)軸頸傾斜角度由0.032°增加至0.057°、轉(zhuǎn)速由300 r/min上升至1200 r/min時(shí)，水膜壓力增幅為18.5%，水膜承載力增幅為91.4%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于，在流體動(dòng)壓潤滑中，軸承主要靠收斂楔形區(qū)域內(nèi)水膜產(chǎn)生壓力，溝槽內(nèi)的水流隨軸頸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，在溝槽內(nèi)的楔形區(qū)域形成動(dòng)壓，動(dòng)壓效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大；在軸頸傾斜角度較大時(shí)，最小水膜厚度減小，此時(shí)軸頸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擠壓效應(yīng)更加明顯。

(a)水膜壓力 (b)水膜承載力

4 結(jié)束語

以智能水潤滑軸承作為研究對(duì)象，通過對(duì)水潤滑軸承流固耦合仿真分析，得到軸頸傾斜時(shí)的水膜壓力、水膜承載力、橡膠軸瓦變形量、軸瓦開槽處及軸頸的變形量等參數(shù)，探究了不同傾斜角度下性能參數(shù)的變化規(guī)律，以及軸頸傾斜時(shí)不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承潤滑特性的影響。得到的主要結(jié)論如下：

(1)與軸頸無傾斜相比，軸頸傾斜對(duì)水膜分布產(chǎn)生影響，軸頸傾斜導(dǎo)致內(nèi)部流場擠壓效應(yīng)增強(qiáng)，產(chǎn)生局部高壓，流體動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，最大水膜壓力與水膜承載力隨傾斜角度的增大而增大。

(2)當(dāng)傾斜角度小于0.016°時(shí)，軸瓦、軸瓦開槽處和軸頸的變形均相對(duì)較小；但當(dāng)傾斜角度大于0.016°時(shí)，較小的傾斜角度增量也會(huì)引起軸瓦、軸瓦開槽處和軸頸的變形呈指數(shù)式增長，且在入口處的軸頸下沉端，軸瓦變形最為明顯，嚴(yán)重時(shí)可能造成軸承運(yùn)行狀態(tài)失衡。

(3)在一定的軸頸傾斜范圍內(nèi)(0.032°～0.057°)，轉(zhuǎn)速由300 r/min上升至1200 r/min，對(duì)軸承潤滑特性影響顯著，水膜壓力增幅可達(dá)18.5%，水膜承載力增幅為91.4%，橡膠軸瓦變形量遠(yuǎn)大于軸頸變形量。