斜面推力滑动轴承的数值研究

2011-07-25刘俊安琦高磊

轴承 2011年9期

刘俊 ,安琦 ,高磊

(1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237；2.上海电机学院，上海 200240)

流体动压推力滑动轴承是依靠在相对运动的表面间所形成的油膜压力来承载的一种关键基础部件，对设备的正常运行起着至关重要的作用，具有摩擦功耗小，承载能力大，运转平稳等优点，广泛应用在水利、电力、机械及化工等工业领域中[1]。以我国三峡工程为例，在其大型水轮发电机组中，推力滑动轴承是最重要的组成部分之一，其设计是否合理将直接影响水轮发电机组的可靠运行[2]。随着推力滑动轴承在高速、重载和高精度等重要场合应用范围的加大，迫切需要更加深入地研究其性能。

下文针对斜面推力滑动轴承，建立在圆柱坐标下用有限差分法求解流量的平衡方程，推导出无量纲压力分布的计算方法，进而得到斜面推力滑动轴承承载能力、发热量、泄油量和温升的计算式，研究几何结构参数对轴承性能的影响规律，获得结构参数的最佳取值。

1 力学模型

图1 斜面推力滑动轴承结构示意图

对斜面推力滑动轴承二维Reynolds方程[4]进行无量纲化，得

(1)

用差分法求解压力分布，将一块轴瓦的油膜划分为许多网格，用各个节点上的压力值构成各阶差商，近似取代Reynolds方程中的导数，将方程化为一组代数方程，由此解出各节点上的压力值，所得出的一组离散的压力数值近似地表达了油膜中的压力分布。先对求解区域内各节点的压力赋初值为零，然后采用逐点松弛迭代法便可求解各节点的无量纲压力值Pi,j，针对整体斜面推力滑动轴承，推导轴承各项性能的无量纲计算式。

根据求解得出的油膜压力分布和作用区域，由轴承工作表面各微元面积乘以对应的油膜压力，采用扇形积分公式，便可以求得油膜承载力Wload[5]，即

(2)

推力滑动轴承沿圆周方向的总摩擦力为

(3)

由(3)式可以推出每个网格上离散的摩擦力为

(4)

单位时间内轴承的发热量，针对每个网格为网格的速度点乘对应的摩擦力，此时摩擦力的方向与速度方向在同一条直线上。

(5)

泄油量为

Qout=Qr1+QR=

(6)

根据轴承中产生的热量与散热相等的条件，热平衡方程为

Wheat=CρQoutΔT，

(7)

由此可得到温升的表达式为

(8)

2 性能分析

运用所编制的Matlab计算程序，分析了瓦高比h2/h1、长宽比l/b和瓦块数nz等结构参数对轴承性能的影响[6]。

2.1 瓦高比h2/h1对轴承性能的影响

计算条件：nz=12;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。变化曲线如图2～图5所示，承载能力随瓦高比的增加先增大后减小，即存在一个最优瓦高比(1.3左右)；长宽比对最优瓦高比几乎没有影响。当瓦高比很小时，泄油量很小，发热量较大，所以此时温升很大。温升随瓦高比的增加先急剧下降，在瓦高比达到1以后，下降的趋势趋于平缓，此外随瓦高比的增加，发热量减小和总泄油量增加。因此最优瓦高比h2/h1应为1.3。

图2 h2/h1对承载能力的影响

图4 h2/h1对泄油量的影响

图5 h2/h1对温升的影响

2.2 长宽比l/b对轴承性能的影响

计算条件：h2/h1=1.3;nz=6,12,18,24。如图6～图9所示，随长宽比的增加，承载能力和发热量均增加，但长宽比增加到1.5以后，承载能力和发热量的变化都趋于平缓，故长宽比不应该超过1.5；而泄油量随长宽比的增加先增加后减小，在0.8附近达到最大值，且随瓦块数的增加而增加，增加的幅度愈来愈小。综合考虑承载能力和温升的影响，长宽比选1比较合适，轴瓦稍多时，应适当增大长宽比的取值。

图6 l/b对承载能力的影响

图7 l/b对发热量的影响

图8 l/b对泄油量的影响

图9 l/b对温升的影响

2.3 瓦块数nz对轴承性能的影响

计算条件：h2/h1=1.3;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。如图10～图13所示，随瓦块数的增加承载能力、发热量和温升均减小，只有泄油量增大，且在nz>20后承载能力和温升的减小都趋于平缓。由此可知，nz的取值不能大于20，否则不仅对轴承的使用性能影响不大，而且还增大了制造难度，增加了制造成本。