點(diǎn)支撐扇形推力軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對潤滑特性影響分析

馮毅，張翀，杜燦陽，羅碧，佘柯

（1.湖南崇德科技股份有限公司，湖南 湘潭 411101；2.上海電氣集團(tuán) 上海電機(jī)廠有限公司，上海 201815；3.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511466）

0 引言

推力滑動軸承作為轉(zhuǎn)子的軸向支撐部件，根據(jù)壓力液膜形成原理，可分為動壓軸承、靜壓軸承和動靜壓軸承[1]。其最理想的摩擦狀態(tài)是液體摩擦，憑借流體的靜壓或動壓效應(yīng)形成穩(wěn)定的流體膜[2]。當(dāng)保證了足夠的液膜厚度、穩(wěn)定液膜溫度時，滑動軸承才能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦磨損小、效率高、工作平穩(wěn)、壽命長，因而在發(fā)電機(jī)組和船用傳動裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

為準(zhǔn)確研究點(diǎn)支撐扇形瓦推力軸承的潤滑特性，基于動壓潤滑理論，采用有限元的方法，求解雷諾方程、能量方程、溫度場方程等諸多關(guān)鍵關(guān)系方程，采用熱流固耦合的分析方法研究點(diǎn)支撐扇形瓦推力軸承的潤滑特性，揭示對軸承的液膜壓力、液膜厚度、瓦面溫度的影響規(guī)律。

1 推力軸承動壓潤滑數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型的目的是將實際結(jié)構(gòu)的特征及其內(nèi)在聯(lián)系用一個抽象、簡化的結(jié)構(gòu)表達(dá)式來描述。本文以扇形可傾瓦點(diǎn)支承推力軸承為研究對象，依據(jù)流體動壓潤滑理論，建立了雷諾（Reynolds）方程、油膜厚度方程、溫度場計算等數(shù)學(xué)模型[3]。

不同于普通的流體動壓潤滑的滑動軸承，流體動靜壓混合潤滑軸承同時存在流體的動、靜壓混合潤滑狀態(tài)，并且隨著工況的變化，潤滑狀態(tài)不斷發(fā)生變動。推力滑動軸承的Reynolds方程[4]為

式中：Gx、Gy為紊流系數(shù)，x、y分別為軸承油膜的周向和徑向，ρ為密度，h為油膜厚度，p為壓力，μ為流體黏度，r為推力瓦支點(diǎn)半徑，ω為轉(zhuǎn)動角速度，θ為周向位置角。

液膜厚度和紊流系數(shù)的表達(dá)式為：

式中：h為瓦面上任意一點(diǎn)的液膜厚度，θ為周向位置角，ω為轉(zhuǎn)動角速度，Re為雷諾數(shù)[5]。

為評估軸承的發(fā)熱量，衡量軸承溫升的安全裕度，有必要對軸承溫度場進(jìn)行求解。以探究軸承油膜溫度分布情況，防止瓦面燒傷。通過計算得到軸承整體的平均溫升[6]：

式中：U為周向線速度，F(xiàn)表示推力載荷，Q表示油量，ρ表示密度，c表示潤滑油比熱容。

結(jié)合雷諾方程，將能量方程簡化至二維，通過求解二維能量方程獲得軸承油膜溫度分布，計算公式[6]為：

式中：Cp為油的比熱容，其為常數(shù)；ρ為潤滑油密度，其為常數(shù)；T為液膜的溫度；p為油膜的壓力，通過雷諾方程解出；其他變量已在雷諾方程中說明。

2 軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對潤滑性能的影響

點(diǎn)支撐扇形瓦-主要輸入?yún)?shù)如表1所示。

本節(jié)已知條件為載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑域及潤滑油性質(zhì)，需要求解液膜厚度、液膜的壓力分布、溫度分布等，最后計算動特性。具體計算流程如圖1所示。

圖1 計算流程圖

2.1 推力軸承瓦支點(diǎn)位置對潤滑特性的影響

當(dāng)支點(diǎn)位置變化時，點(diǎn)支撐扇形推力軸承的液膜壓力分布與液膜厚度分布及瓦塊溫度等主要軸承潤滑性能參數(shù)會發(fā)生變化。在此，為了更好地進(jìn)行分析，引入周向偏支系數(shù)，即支點(diǎn)位置周向角度與整個瓦塊包角度的比值[7]。

圖2所示為周向偏支系數(shù)為0.5～0.6范圍內(nèi)時軸承的液膜壓力。從圖2（a）～圖2（d）中可以得出：在偏支系數(shù)為0.5時最大液膜壓力為4.89 MPa，在周向偏支系數(shù)為0.6時最大油膜壓力為5.14 MPa。從圖2（e）中可以看出在周向偏支系數(shù)0.5～0.6范圍內(nèi)，隨著周向偏支系數(shù)的增大，最大液膜壓力變化較小，基本為一條水平線，即周向偏支系數(shù)對最大液膜壓力不敏感。圖2（f）為偏支系數(shù)為0.56時單片軸瓦的壓力分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，最大液膜壓力位置在瓦塊的中央，最大值為5 MPa左右，瓦塊四周液膜壓力基本為0。

圖2 周向偏支系數(shù)對軸承液膜壓力的影響

圖3所示為周向偏支系數(shù)為0.5～0.6 范圍內(nèi)時軸承的液膜厚度與支點(diǎn)膜厚分布。從圖3中可以得出：最小膜厚位置在瓦塊出油口一側(cè)，偏支系數(shù)為0.5 時為39.6 μm，周向偏支系數(shù)為0.6時最小油膜厚度為45.4 μm，兩者相差不大。從圖3（e）中也能看出，在周向偏支系數(shù)0.5～0.6 范圍內(nèi)，最小膜厚隨周向偏支系數(shù)的增大而幾乎不變。從圖3（e）中還能看出，隨著周向偏支系數(shù)的增大，支點(diǎn)膜厚基本呈線性增大，且變化趨勢較大，故周向偏支系數(shù)對最小膜厚不敏感，而對支點(diǎn)膜厚比較敏感。

圖3 周向偏支系數(shù)對軸承液膜厚度的影響

圖4所示為周向偏支系數(shù)為0.5～0.6范圍內(nèi)時軸承的瓦面溫度分布。從圖4中可以看出，瓦面油膜最高溫度、出口溫度、75-75溫度隨著周向偏支系數(shù)的增大而減小，周向偏支系數(shù)對最高溫度、出口溫度、75-75溫度比較敏感。周向偏支系數(shù)為0.5時瓦面油膜最高溫度為91.2 ℃，周向偏支系數(shù)為0.6時瓦面油膜最高溫度為72 ℃左右，最高溫度發(fā)生在瓦塊出油口靠近軸瓦外徑一側(cè)。

圖4 周向偏支系數(shù)對軸承瓦面溫度的影響

2.2 瓦塊內(nèi)徑對潤滑特性的影響

如圖5～圖7所示為點(diǎn)支撐扇形瓦推力軸承在周向偏支為0.5的工況下，瓦塊內(nèi)徑為500～700 mm范圍內(nèi)時軸承的潤滑特性參數(shù)。

圖5 瓦塊內(nèi)徑對軸承夜膜壓力的影響

從圖5中可以得出：當(dāng)內(nèi)徑為500 mm時最大液膜壓力為4.43 MPa，當(dāng)內(nèi)徑為700 mm時最大液膜壓力為5.75 MPa，且位置為瓦塊中心部位。最大液膜壓力隨著瓦塊內(nèi)徑的增大而增大，且變化趨勢較大，即瓦塊內(nèi)徑對最大液膜壓力比較敏感。

從圖6中可以看出，在瓦塊內(nèi)徑500～700 mm范圍內(nèi)，最小液膜厚度和支點(diǎn)膜厚隨瓦塊內(nèi)徑的增大而減小，且變化趨勢為線性，故瓦塊內(nèi)徑對最小膜度、支點(diǎn)膜厚比較敏感，最小油膜厚度發(fā)生在瓦塊出油口一側(cè)。

從圖7中可以得出，在瓦塊內(nèi)徑500～700 mm范圍內(nèi)，最高溫度、出口溫度、75-75溫度隨著瓦塊內(nèi)徑的增大而增大，且變化趨勢一致，變化幅度比較大，故瓦塊內(nèi)徑對最高溫度、出口溫度、75-75溫度比較敏感，液膜最高溫度發(fā)生在瓦塊出油口靠近軸瓦外徑一側(cè)。

圖7 軸瓦內(nèi)徑對軸承瓦面溫度的影響

3 結(jié)語

本文使用ANSYS軟件分析了點(diǎn)支撐扇形瓦軸承的潤滑性能隨瓦塊內(nèi)徑和周向偏支系數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）在瓦塊內(nèi)徑500～700 mm范圍內(nèi)，最小膜厚隨瓦塊內(nèi)徑的增大而減小，且變化趨勢為線性。為了增強(qiáng)軸承承載力，宜減小瓦塊內(nèi)徑。

2）在周向偏支系數(shù)0.5～0.6范圍內(nèi)，隨著瓦塊周向偏支系數(shù)的增加，最小膜厚和最大膜壓基本不變，而軸承瓦面溫度顯著降低。為了降低溫度，宜增加周向偏支系數(shù)。