基于JFO理论的滑动轴承空穴迁移及性能分析

李波，刘清蝉，林聪，杨明，曹敏，李仕林，林中爱

(1. 云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650217； 2. 中国南方电网公司 电能计量重点实验室，云南 昆明 650217)

0 引言

滑动轴承是机械传动过程中的一个重要部件，并且在航海领域、航空航天领域都有着较多的应用。 轴承性能的好坏主要取决于轴承的润滑性能，时至今日，轴承的润滑吸引了较多的专家和学者进行研究，并涌现出较多的研究成果。张胜伦等人考虑瞬态冲击和弹性变形对滑动轴承特性与动力学响应进行了研究[1]；董宁等人研究了考虑固体颗粒和粗糙度的水润滑飞龙轴承热弹流润滑性能[2]；侯梦琪等人对动载径向滑动轴承流体润滑的性能进行了分析[3]；雷渡民等人研究了表面织构对滑动轴承混合润滑特性的影响[4]；向建华等人研究了轴颈圆度误差对滑动轴承润滑性能的影响[5]；黎伟等人对多瓦可倾瓦径向滑动轴承进行了热弹流润滑分析[6]；胡冬良等人研究了动压滑动轴承润滑状态与磨损[7]；王小静等人基于复合型紊流润滑理论对径向滑动轴承紊流润滑性能进行了研究[8]；邵正宇等人对液体动力润滑径向滑动轴承进行了优化设计[9]；陈凌珊等人研究了轴承弹性变形对动载滑动轴承润滑状况的影响[10]。虽然专家学者对轴承的润滑特性的研究逐年增加，但是大都集中在考虑表面微织构、弹性变形及润滑方式等方面的影响，关于对滑动轴承的空穴迁移对润滑性能的影响尚且较少。因此，本文以动压滑动轴承为研究对象，探究滑动轴承的气穴效应对润滑性能的影响，必将推动滑动轴承的润滑性能的发展。

1 滑动轴承理论模型构建

本文研究的对象为动压滑动轴承，其结构模型如图1所示。动压滑动轴承的主要工作原理为轴和轴承之间的相对运动带动润滑介质进入由两个相对滑动的表面形成油膜间隙，从而使得轴和轴承能够被油膜分割开，避免硬接触，从而提高轴承的润滑效果和轴承的使用寿命。

图1 动压滑动轴承结构

滑动轴承的润滑特性是其承载过程中的一个重要属性，考虑润滑介质具有一定的粘温粘压和密温密压特性，因此，准确地建立动压滑动轴承的润滑模型就显得尤为重要[11-12]。弹流润滑是描述具有粘温粘压和密温密压特性润滑介质的润滑性能的最准确模型，因此，建立动压滑动轴承的弹流润滑模型如图2所示。

图2 弹流润滑模型

图2中，R1和R2分别表示轴和轴承内孔的半径，R为等效曲率半径，U1和U2分别表示轴和轴承的线速度，将相对运动进行简化后固定U2为0。

弹流润滑求解过程较为复杂，忽略温升，建立准确的雷诺方程、膜厚方程、流速方程、载荷方程、密压方程及粘压方程就显得尤为重要。根据动压润滑基本理论和弹流润滑模型建立上述方程如式(1)。

Reynolds方程：

(1)

式中，h为油膜厚度，ρ为润滑介质密度，η为润滑介质的粘度。

膜厚方程：

(2)

(3)

式中，h0为中心膜厚，E′为综合弹性模量，E1和E2分别表示轴和轴承的弹性模量，ν1和ν2为轴和轴承的泊松比。

流速方程：

(4)

载荷方程：

(5)

密压方程：

(6)

粘压方程：

η=η0exp((lnη0+9.67)((1+5.1×10-9p)z0-1))

(7)

式中，p为油膜压力，z0为雷诺粘压系数。

2 弹流润滑数值分析

根据上述所建立的弹流润滑的数学模型对气穴效应下的滑动轴承的润滑性能进行分析，得到如下结果。

图3描述了不同载荷下的滑动轴承的润滑压力和膜厚分布图，载荷的大小在气穴的界面转移过程中起着重要的作用。通过图3可以看出：入口区的油膜压力随着载荷的增大而减小，出口区则相反；但是油膜厚度始终与载荷的大小呈现出负相关，载荷越大，油膜厚度则越小。

轴与轴承的相对转速也是影响动压滑动轴承的气穴效应的重要因素之一，因此，转速对弹流润滑的压力和膜厚的影响的研究就显得尤为重要。图4描述了不同转速下的压力和膜厚的分布图。通过图4可以看出：压力峰值随着无量纲转速的增大而减小，这是由于转速增大导致膜厚增大，故而相应的压力就会减小；入口区的压力与转速之间呈现出明显的正相关，出口区转速对压力的影响不大[13]；膜厚与转速之间在任何位置都呈现出了明显的正相关，转速越大，油膜压力也相应的越大，此时，轴承的承载能力增强，气穴较少。

图3 不同载荷下的压力和膜厚分布图

图4 不同转速下的压力和膜厚分布图

气穴效应是由于相对运动中产生的气泡的游动产生的，气穴效应的存在一定程度上改变着滑动轴承的润滑性能，气穴的尺寸和位置是描述气穴效应的重要指标。图5描述了气穴在不同位置时的压力和膜厚的分布图。通过图5可以看出：随着气穴的位置由入口区向出口区移动，接触区的压力值逐渐增大；二次压力峰的位置随着气穴位置的移动而右移，并且压力峰数值变大；膜厚呈现出的趋势与压力相反，随着气穴位置向出口区移动，膜厚数值逐渐减小。离轴承的楔形间隙越近，越容易使得颗粒接触区周围流入的润滑剂减少，膜厚变薄。

图5 气穴处于不同位置的压力和膜厚分布图

图6描述了不同气穴尺寸对滑动轴承的润滑压力及膜厚的影响关系。通过图6可以看出：油膜的压力与气穴尺寸之间呈现出明显的正相关，气穴范围的半径越大，油膜压力相应越大，并且接触区的压力波动幅值越大；膜厚与气穴范围尺寸之间呈现出明显的负相关，气穴尺寸越大，油膜厚度越小，轴承的承载能力变差。

3 结语

1) 入口区的油膜压力随着载荷的增大而减小，出口区则相反；但是油膜厚度始终与载荷的大小呈现出负相关，载荷越大，油膜厚度则越小。入口区的压力与转速之间呈现出明显的正相关，出口区转速对压力的影响不大；膜厚与转速之间在任何位置都呈现出了明显的正相关，转速越大，油膜压力也相应的越大。

图6 气穴尺寸不同时压力和膜厚的分布图

2) 随着气穴的位置由入口区向出口区移动，接触区的压力值逐渐增大；二次压力峰的位置随着气穴位置的移动而右移，并且压力峰数值变大；膜厚呈现出的趋势与压力相反；油膜的压力与气穴尺寸之间呈现出明显的正相关，气穴范围的半径越大，油膜压力相应越大，并且接触区的压力波动幅值越大。