大型水润滑推力轴承热弹流润滑性能分析

武中德，张 宏，张培良，吴军令



大型水润滑推力轴承热弹流润滑性能分析

武中德，张 宏，张培良，吴军令

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

本文借助ANSYS软件的热传导和热弹变形分析功能，将推力轴承热流体动力润滑性能分析和推力瓦及推力盘的热弹变形计算两部分迭代求解，实现了推力轴承的热弹流分析，计算出了水膜厚度、水膜压力、水膜温度、流量、损耗及推力轴承和推力盘的温度分布和热弹变形。通过对大型水润滑推力轴承进行热弹流润滑性能分析，发现大型水润滑推力轴承的变形较小，水膜较薄。

水润滑；推力轴承；热弹流

0 前言

推力轴承的热流体动力润滑性能分析的求解域为瓦面的扇形润滑剂膜，通过求解雷诺方程和能量方程，并考虑润滑剂的温粘效应，就可以得到轴承的润滑性能[1]。而要实现推力轴承的热弹流分析，就要考虑推力盘、推力瓦等的热弹变形，并和推力轴承热流体动力润滑性能分析部分迭代求解。对于水润滑或油润滑推力轴承，其求解过程是一样的。推力盘、推力瓦等的热弹变形计算可以采用简化的模型[2-5]，也可以采用结构分析软件[6-9]。采用结构分析软件（如Ansys、ADINA等），则是通过外部迭代求解。

本文借助ANSYS软件的热传导和热弹变形分析功能，对某大型主泵电机水润滑推力轴承进行热弹流润滑性能分析。

1 推力轴承结构

某主泵电机推力轴承采用可倾式扇形推力瓦结构。瓦面材料和钢瓦基为平面接触，靠加工精度保证。采用球面支承块支承（如图1所示）。水润滑推力轴承的瓦面材料，采用石墨的情况较多，也有复合材料的情况[10-11]。

大型水润滑推力轴承，为确保工作时的瓦面为微凸面，瓦面预成形为柱面、球面或简单的多段柱面，便于起动过程中，瓦面快速形成水膜。

瓦面的内、外径和两侧边，采用一定的结构件，限制瓦面的径向和周向以及厚度方向的窜动。

图1 推力轴承瓦

2 推力轴承特性的计算

2.1 计算分析方法

推力轴承热流体动力润滑性能分析和推力盘、推力瓦等的热弹变形计算，通过瓦面和推力盘面的变形数据，两部分迭代求解。

大型水润滑推力轴承需要预成型为柱面、梯形面等，柱面或梯形面的尺寸与热弹流计算的结果项对应[12-15]。

瓦面材料和钢瓦基通过一定的工艺结合为一体，以材料特性区来分两种材料；瓦面材料和钢瓦基为平面接触，除此之外，还要考虑接触面特性。

2.2 停机状态轴承特性

大型水润滑推力轴承，瓦面预成形为柱面，停机状态，轴承瓦面理论上承担线负荷。对瓦的平面瓦面施加线载荷，进行了接触应力的计算，根据载荷大小，确定线负荷，进而确定轴向应力和水平方向应力以及瓦变形。如图2~4所示。

图2 瓦面Z向受力

图3 瓦面XY向受力

图4 瓦变形

停机状态，推力轴承承担转子重量。瓦面线负荷会出现局部应力较大，仅转子重量，并不会对瓦面造成不利的严重影响。

2.3 瓦基和瓦面变形

推力轴承采用球面支撑，工作状态下，推力轴承瓦面Z向和XY向受力分别如图5，6所示，Z向压力和XY向剪力均较小。瓦基由于受力载荷的影响，其变形如图7所示，为凸变形。瓦面材料的弹性模量一般低于瓦基，会产生较小的凹变形，但瓦面材料的整体变形会随着瓦基而变。

推力轴承受温度梯度的影响，瓦基、瓦面和推力盘均会产生热弹变形。

推力轴承运行过程中，受载荷和温度梯度的影响，瓦和推力盘会产生热弹变形（如图10、12所示）。

图5 瓦面Z向受力

图6 瓦面XY向受力

图7 瓦基变形

2.4 轴承特性

推力轴承稳定运行的工作状态，瓦面能够形成连续的水膜，这一过程中轴承不会造成磨损，能够实现轴承的长寿命。所以，长寿命水润滑轴承均是按流体动力润滑进行设计。

推力轴承的热弹流计算结果见表1。

表1 推力轴承参数及计算结果

推力轴承瓦面水膜厚度、水膜压力分布分别如图8~10所示。推力瓦和推力盘的温度分布和变形分别如图11~14所示。

图8 水膜厚度分布（mm）

图9 水膜压力分布（MPa）

图10 水膜温度分布（℃）

图11 瓦变形

图12 瓦温度分布

图13 推力盘变形

图14 推力盘温度分布

3 轴承性能分析

在轴承运行过程中，由于推力瓦倾斜和变形的影响，最小水膜处在中径附近靠近出水边。推力轴承瓦面最大压力与单位压力之比为3.56，说明瓦面和推力盘的变形较大，这和瓦面的预成型的柱面大小有关。

瓦面变形的大小是否合适，取决于水膜厚度分布是否合理。

推力轴承瓦变形如图11所示，为微凸，随着载荷的增加，这种凸变形加大。瓦面变形虽然为凸变形，这一变形的量级较小，需要适当加大，以提高轴承性能。所以瓦面设计成柱面，一是利于起动时形成水膜，二是为了提高轴承的承载能力。但柱面尺寸较大，会降低轴承承载能力。

推力盘的变形较小。

推力轴承运行过程中，瓦面的周向会产生倾斜，径向也会产生倾斜。由于受飞轮较大刚度的影响，推力盘的力变形很小，其微凸的变形主要是受温度的影响。

4 结论

大型水润滑推力轴承轴承设计时，瓦面型面的尺寸需合理控制，否则严重影响瓦面的水膜厚度分布。

考虑推力盘、推力瓦、水膜等的完整推力轴承性能分析，才能准确预测轴承性能。推力盘、推力瓦等的热弹变形计算采用结构分析软件，即使结构复杂，也无需简化模型，实现分析准确性。

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Thermo-elastic-hydrodynamic Lubrication Performance Analysis of Water-lubricated Thrust Bearing

WU Zhongde; ZHANG Hong; ZHANG Peiliang; WU Junling

(Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China)

The thermo-hydrodynamic lubrication and thermo-elastic-deformation are resolved iteratively to get the results of the thickness, pressure, temperature, flow and friction loss of lubricant, and temperature distribution and thermo-elastic-deformation of the pad and thrust disk, the thermo-elastic-deformation of thrust bearing and thrust disk is analyzed with ANSYS. The thermo-elastic-hydrodynamic lubrication performance of water-lubricated thrust bearing have been analyzed. The thickness of water film and deformation of the pad and disk is smaller for large thrust bearings with water-lubrication.

water-lubrication; thrust bearing; thrust disk; thermo-elastic-hydrodynamic

TM303

A

1000-3983(2017)02-0017-04

2016-10-21

武中德（1966-），2001年毕业于哈尔滨工业大学，高级工程师，主要从事大型电机轴承技术研究。

审稿人：孙玉田