弹性变形对可倾瓦轴承性能的影响

曹寒，杨培平，郭勇

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）



弹性变形对可倾瓦轴承性能的影响

曹寒，杨培平，郭勇

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

摘要：文章采用FORTRAN语言和有限元商用软件ANSYS混合编程的方法分析了支撑体和瓦块的双重弹性变形对可倾瓦轴承性能的影响。计算结果表明：在考虑支撑体和瓦块同时变形的情况下，进油量、摩擦系数和最小油膜厚度增加。

关键词：弹性变形，可倾瓦轴承，性能影响

1　概述

可倾瓦轴承具有摩擦功耗小，制造、安装及性能受轴颈几何形状影响小，并可随载荷变化自动调整其状态等优点，具有优良的稳定性，因而被广泛应用于回转机械中。但其也有缺点，其中之一就是由于支撑体和瓦块的弹性，促使在油膜和基座之间多了1个弹性体，减小了可倾瓦轴承的刚度和阻尼，降低了临界转速并且使振动加强。在目前对可倾瓦轴承的研究中，瓦块表面的油膜压力一般利用有限差分法进行计算。这种方法在求解雷诺方程时，具有编程简单，求解速度快等优点，但对于瓦块的网格划分要求很高，必须是结构网格，这样一般考虑变形时为了计算方便只考虑瓦块的变形，而将支点结构视为刚体。本文中利用FORTRAN语言所编写的有限差分法进行雷诺方程和能量方程的求解，而利用ANSYS APDL进行变形求解，这样就可以将支点结构和瓦块一起进行变形求解。相比于传统的手动编程求解方法，这种求解方式充分利用了2种方法的优势，节约了编程开发时间，并提高了计算精度，并且可以拓展在工程中流体、热和弹性力学耦合的范围。本文以球支撑的可倾瓦轴承为例，结构见图1，将瓦块和支点的弹性变形进行综合考虑，通过计算，得出了球形支点与瓦块的弹性变形对轴承性能的影响。

图1　球支点结构

2　基本润滑方程

2.1油膜厚度方程

无量纲油膜厚度方程见式（1）。

式中：H0为不考虑瓦块和支点弹性变形时的油膜厚度；π（φI，λ）为油膜压力引起的瓦块内表面径向位移（其中包括支点的位移）。

2.2雷诺方程

假设润滑油为不可压缩牛顿流体、稳态层流流动且无滑移，其彻体力和惯性力忽略不计，沿膜厚方向恒压恒温，则油膜压力分布可由无量纲雷诺方程表示为式（2）：

式中：

H—无量纲油膜厚度；

θ—周向坐标；

ξ—轴向坐标；

D—刚度直径，m；

L—油膜长度，m。

对于雷诺方程的数值解法，采用有限差分法，就是将一块轴瓦的油膜划分为规则网格，用节点压力值的各阶差商近似取代雷诺方程中的导数，将方程化为一组代数方程，由此解出各节点上的压力值。根据这组压力值，再利用相应的数值积分，即可求得阻力、流量、摩擦系数等性能参数。

3　计算方案

由于商用有限元软件ANSYS易于建模，且对于静力变形问题处理准确性的要求，因此采用了ANSYS二次开发与自己开发编制的FORTRAN程序进行混合编程来进行数值模拟计算，具体过程见图2。

图2　计算流程图

通过ANSYS二次开发，将瓦面压力作为输入量施加到瓦块上，具体分布见图3。

图3　分布压力施加到瓦块上

通过计算可以得到轴瓦的变形量π（）φI，λ，将变形量施加到油膜厚度上，得到新的油膜分布再进行计算，直到满足迭代精度为止。瓦块变形量见图4。

图4　油膜压力下的瓦块变形

4　计算结果及分析

以球支点可倾瓦轴承为研究对象，其具体参数见表1。

表1　轴瓦参数及工况

4.1瓦块和支点变形对无量纲进油量的影响

由图5可以看出，由于瓦块和支点变形后，瓦块和轴间隙增大，所以考虑变形后的进油量比不考虑变形的进油量要大。

图5　进油量随载荷变化图

4.2瓦块和支点变形对无量纲摩擦系数的影响

由图6可以看出，由于摩擦阻力主要由粘性剪应力的积分所求得，而随着进油量的增多，务必导致摩擦阻力的增大，从而摩擦系数也相应增大。

图6　摩擦系数随载荷变化图

4.3瓦块和支点变形对无量纲最小油膜厚度的影响

如图7所示，随着载荷的增加，最小油膜厚度都在减小，且考虑变形后的最小油膜厚度比不考虑变形的最小油膜厚度要大。

图7　最小油膜厚度随载荷变化图

5　结论

（1）支点和瓦块的弹性变形对可倾瓦轴承的性能影响较大，这种影响表现为：相同的承载力下使进油量、摩擦系数和最小油膜厚度增大；

（2）利用ANSYS与FORTRAN混合编程的方法，可以充分考虑更多结构件的变形对轴承性能的影响，并且建模简单，运算速度快，精度高；

（3）在高速或重载的工况下，需要考虑支点和瓦块的弹性变形对可倾瓦轴承的影响，合理选择支点尺寸，以便符合设计要求。

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Influence of Flexible Deformation for Performance of Tilting-pad Bearing

Cao Han，Yang Peiping，Guo Yong
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The thesis analyzed the influence imposed on the tilting-pad bearing’s performance of flexible deformation of pad support and pad by adopting FORTRAN language and finite element commercial software ANSYS mixed programming method.The research result showed that the oil inlet volume，friction coefficient and minimum oil film thickness were increased when the deformation of pad support and pad were considered at the same time.

Key words:flexible deformation，tilting-pad bearing，influence of performance

中图分类号：TK262

文献标识码：A

文章编号：1674-9987（2016）02-0008-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.002

作者简介：曹寒（1985-），女，工学硕士，工程师，2009年毕业于西安交通大学机械设计与制造专业，现主要从事汽轮机设计工作。