可倾瓦推力轴承瓦面形貌对启停过程的影响

安海阳 赵卫军 曾明静 李劲松

摘 要：可倾瓦推力轴承在启动和停止过程中，各参数在短时间内会发生巨大的变化，研究启停过程对可倾瓦推力轴承的设计具有重大意义。文章建立可倾瓦推力轴承启停的瞬态模型，对可倾瓦推力轴承启停过程进行定性分析。结果表明，瓦面形貌参数的改变对可倾瓦推力轴承启停过程有明显的影响，而且启动转速也随着形貌参数的改变而改变。文章分析了表面凸起值对启停转速的影响，对可倾瓦轴承的瓦型设计及启停时间具有指导意义。

关键词：可倾瓦推力轴承；瓦面形貌；瞬态模型；启停过程

中图分类号：U664.21 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）11-0044-04

Abstract： The parameters of tilting pad thrust bearing will change greatly in a short time in the process of starting and stopping. It is of great significance to study the starting and stopping process of tilting pad thrust bearing. In this paper， a transient model of tilting pad thrust bearing is established， and the process of start and stop of tilting pad thrust bearing is analyzed qualitatively. The results show that the change of the profile parameters has a significant effect on the starting and stopping process of the tilting pad thrust bearing， and the starting speed also changes with the change of the profile parameters. In this paper， the influence of surface protruding value on the starting and stopping speed is analyzed， which is of guiding significance to the design and start-stop time of tilting pad bearing.

Keywords： tilting pad thrust bearing； bearing surface； transient model； starting and stopping process

1 概述

目前，可傾瓦推力轴承运行环境往往是高速重载，温度、转速等因素的变化会对推力轴承的运行产生很大的影响。特别是在启停过程中，在此阶段，瓦面的温度和转速等参数会在短时间发生较大的变化，很容易发生“烧瓦”，因此对推力轴承的启停过程研究很有必要[1]。

众所周知，推力轴承在正常运行时，瓦面上的流体膜处于流体润滑状态，但是在启停和停止过程中，流体膜经历干摩擦、混合润滑到流体润滑。目前，国内外针对可倾瓦推力轴承的启停过程的研究比较少，国外的相关文献主要采用球盘试验来研究启停过程膜厚的变化，与实际应用环境差距较大。Sugimura和Spikes和Sugimura等人采用了超薄膜的光干涉测量技术，对夹带速度变化对EHD膜厚的影响进行了详细研究，他们的研究中包括了加速、减速、单向启停和往复运动。但是，他们的研究由于是在低的取样速度下进行的，对于高速下的情况不适用。Glovnea和Spikes[2]对点接触的启动过程中的弹流润滑膜的形成进行了相关试验研究。润滑膜采用超薄的光干涉法进行测量。他们发现膜厚很大程度上取决于加速度。国内的研究采用可倾瓦推力轴承进行建模分析。杨丽华等[3]对屏蔽泵水润滑石墨推力轴承的摩擦学性能进行了定性的分析。卢宪玖等[4]采用考虑了时变效应和热效应的Reynolds方程，对角接触轴承在启停过程中的球轴承的热瞬态混合润滑等问题进行了相关研究。他们发现，在启停过程中，加速度越大，油膜的温升越高；在停止过程中由于膜厚减小，产生挤压项，从而使得轴承在停止过程中的油膜厚度大于启动过程中的油膜厚度；国内学者的研究模型接近真实使用环境，但是大多停留在定性分析阶段，没有建立完善的启停过程的瞬态模型，对启停过程进行定量的数值分析。

基于目前的研究，本文建立了可倾瓦推力轴承的瞬态计算模型，对瓦面的形貌参数改变对启停过程的影响进行了计算。

2 理论依据及数值模型

对于流体动压的研究，目前普遍采用化简的雷诺方程，可倾瓦推力轴承采用柱坐标系下的雷诺方程，如式（1）所示：

然而，推力轴承的启停过程中，膜厚在短时间内会发生较大变化，因此分析模型中雷诺方程的挤压项不能忽略，考虑挤压项后的雷诺方程如下式所示：

对于混合润滑问题，采用现在使用较多的平均流量模型（简称PC流量模型）：

3 分析模型

可倾瓦推力轴承的瓦面形状示意图如图2所示，对其进行流场分析。瓦面的膜厚如图3所示，其膜厚表达式为（4）-（7）所示。

对式（4）进行无量纲化，采用MATLB进行编程计算。

4 计算结果及分析

分别对表面凸起高度dh下的启停过程进行计算，其中当表面凸起值dh为0时，表示该瓦为平面瓦。

从图4、图5中可以看出，在开启过程中，随着凸起高度dh的减小，间隙值h0的变化曲线比较集中，即dh值的改变对h0的值影响较小。

在闭合过程中，间隙值h0的变化曲线也比较集中，但是在闭合的开始阶段，h0值的下降趋势是先增大后减小。

闭合过程中， h0值要比开启过程中相同转速下的h0值要大，与前文中对于开启、闭合过程分析结果吻合。

从图6、图7中可以看出，在开启过程中，在凸起值为10μm时，开启转速在10rpm-20rpm之间，随着表面凸起的减小，在10rpm时，最小无量纲膜厚出现一个先增大后减小的过程，当凸起值小于5μm时，最小无量纲膜厚的曲线与平面瓦的最小无量纲膜厚曲线基本重合。根据膜厚判定法，随着dh值的减小，开启转速先减小后增大，当凸起值dh小于5μm时，开启转速与平面瓦的开启转速基本重合，即当dh值减小的过程中，开启转速趋于一个定值。

在闭合过程中，闭合的开始阶段，最小无量纲膜厚有一个增大然后减小的过程，其幅值随着凸起值dh的减小而减小。当dh为0时，瓦块为平面瓦，此时闭合的开始阶段，最小无量纲膜厚没有增大然后减小的过程。从图7中可以看出，闭合的过程中，最小无量纲膜厚要比开启过程中在相同转速下的最小无量纲膜厚要大，这与前文中分析的闭合过程中的结果相吻合。

从图8、图9中可以看出，在开启和闭合过程中，随着凸起值dh的减小，周向倾角明显也随之减小，而且随着dh值的减小，周向倾角的曲线变化趋势逐渐趋于平稳，与dh为0时的变化趋势一致。在闭合过程中的开始阶段，周向倾角有一个先减小后增大然后再减小的过程，而且随着dh值的减小，减小的幅度逐渐减小。

结合图8和图9可以看出，闭合过程中的开始阶段，推力瓦会产生一个大幅的摆动，是由于凸起值dh引起的周向倾角的突然变化造成的，随着dh的增大，该摆动逐渐增大。推力轴承瓦块的大幅摆动对于推力轴承的寿命和系统的稳定性有潜在的危害。因此，合理设计dh值有利于提高瓦块的启停过程中系统的稳定性和瓦块的寿命。

5 结论和展望

可倾瓦推力轴承在闭合过程中由于挤压项的影响，闭合过程中的膜厚要比开启过程中相同转速下的膜厚要大，闭合转速要比开启转速低，从而可能引起推力轴承在闭合过程的结束瞬间产生大的冲击。

带凸起的瓦面对可倾瓦推力轴承的启停过程有影响，尤其是启动转速，随着凸起值的增大，開启转速先减小后增大，闭合转速受凸起值dh的影响较小。

瓦面凸起值dh对瓦块在启停过程中的周向倾角影响较为明显，随着dh值的增加，周向倾角也随之增加。

本文的研究主要是基于数值模型的计算，计算的表面凸起值dh范围还比较小，下一步工作需要对更大范围的dh值对启停过程的影响进行研究。而且，在计算中，计算的转速步长较大，对启停转速的具体值计算还不够精确，需要对0-20rpm范围内的启停过程进行精度更高的计算，从而进一步验证结果。

参考文献：

[1]栾志洁，等.大型推力轴承启动过程中的润滑性能研究[J].化学工程与装备，2008（2）：41-44.

[2]Kettleborough， C.F. Hydrodynamic induced vibrations in accelerated thrust bearings[J].J. Mech. Engng Sci.， 1974.16（6）：357-366.

[3]Osborn， K.F. and F. Sadeghi， Time dependent line EHD lubrication using the multigrid/multilevel technique[J]. Journal of lubrication technology-transactions of the ASME， 1992，114（1）：68-74.

[4]M. J. A. Holmes， H.P.E.A.， Comparison of Transient EHL Calculations with Start-up Experiments [Z]. 2003.

[5]M. J. A. Holmes， H.P.E.R.， Comparison of transient EHL calculations with shut-down experiments [Z]. 2003.

[6]Glovnea， R.P. and H.A. Spikes， Elastohydrodynamic film collapse during rapid deceleration： Part II - Theoretical analysis and comparison of theory and experiment[J]. Journal of lubrication technology-transactions of the ASME， 2001，123（2）：262-267.

[7]Glovnea， R.P. and H.A. Spikes， Elastohydrodynamic film collapse during rapid deceleration： Part I - Experimental results [J]. Journal of lubrication technology-transactions of the ASME， 2001，123（2）：254-261.

[8]杨丽华，王新荣.屏蔽泵水润滑石墨推力轴承摩擦学性能的研究[J].现代制造技术与装备，2014（4）：28-29.

[9]卢宪玖，等.球轴承启停过程的瞬态热混合润滑分析[J].摩擦学学报，2015，35（1）：74-81.