圆形弹性金属塑料瓦推力轴承特性分析

李永海 武鼎超 孙向志 马珅 沈健

摘 要：以中心点支承圓形弹性金属塑料瓦为研究对象，依据润滑理论，建立推力轴承数学模型，采用有限元软件仿真分析，并对其润滑性能进行数值模拟。结论表明，油膜压力使瓦面产生凹变形，油膜温度使瓦面产生凸变形，轴瓦整体变形为凹变形。根据轴瓦变形情况将轴瓦瓦面修型为进出油坡形厚度为0.05mm、长度为8mm的中凸形型面。相同工况下，最小油膜厚度随着弹性复合层厚度的增加而减小，随着钢基层厚度的增加而增加。当弹性复合层加厚到10mm时最高油膜温度出现峰值，不利于轴承散热。钢基层厚度改变对于最高油膜温度及轴瓦整体温度的影响甚微，可忽略不计。

关键词：圆形弹性金属塑料瓦;瓦面修型;数值分析;润滑性能

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.016

中图分类号： TH133.37

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）05-0113-07

Abstract：The circular elastic metal-plastic pad supported by the center point is taken as the research object. Based on the lubrication theory， the mathematical model of thrust bearing is established. The simulation analysis is carried out by using finite element software， and the lubrication performance is simulated. The conclusion shows that the oil film pressure causes concave deformation of pad surface， the oil film temperature causes convex deformation of pad surface， and overall deformation of bearing bushing is concave. According to the deformation of bearing pad， the bearing pad surface is modified into a medium-convex surface with a slope thickness of 0.05mm and a slope length of 8mm. Under the same working conditions， the minimum oil film thickness decreases with the increase of elastic composite layer thickness and the minimum oil film thickness increases with the increase of steel base thickness. When the elastic composite layer is thicker to 10mm， the maximum oil film temperature appears peak value， which is not conducive to bearing heat dissipation. The change of steel base thickness has little effect on the maximum oil film temperature and the overall bearing temperature， which can be neglected.

Keywords：circular elastic metal plastic pad; modifying the shape of pad surface; numerical calculation; lubrication performance

0 引 言

弹性金属塑料瓦（EMP瓦）因其材料结构又称塑料瓦，适用于舰船传动装置、水轮发电机组和水泵机组等机械设备。塑料瓦最早出现在上个世纪七十年代的前苏联。1989年我国引进安装后运行效果良好，随后开始研制国产塑料瓦。塑料瓦根据其瓦面形状的不同分为圆形塑料瓦和扇形塑料瓦。扇形塑料瓦推力轴承主要应用在大型水电机组上，属于大型推力轴承;圆形塑料瓦推力轴承则大多应用在舰船的推进传动系统中，属于中小型推力轴承。

早在1985年，国外学者Abdel-Lati[1]就利用圆形瓦代替扇形瓦对轴瓦进行了热流体动力分析。Ettles C M等[2]对塑料瓦与巴氏合金瓦做了对比实验，得到大量实验数据，据此提出了表面修型的必要性，其目的主要是便于启动时初始油膜的形成。Chatterton S等 [3] 介绍了在国外工业应用中，可倾瓦推力轴承逐渐用聚四氟乙烯（PTFE）等聚合物材料代替了巴氏合金，改善轴承性能，延长轴瓦寿命，降低操作难度。我国学者也提出了许多区别于巴氏合金瓦推力轴承的塑料瓦轴承润滑理论[4]。赵红梅等[5]研究了采用托盘支撑的塑料瓦推力轴承的整体变形分析。张国贤等[6]通过实践发现了出现在塑料瓦上的界面滑移现象。接着吕广新等[7]推导出适用于滑移现象的雷诺方程。目前国内外学者针对塑料瓦进行了较充分的研究[8-11]，但研究对象大多为扇形塑料瓦推力轴承，对圆形塑料瓦推力轴承的研究较少。扇形塑料瓦与圆形塑料瓦相比，因其轴瓦形状的改变而导致其承载能力、稳定性和支撑形式的选择等特点都随之变化[12-16]，且运用在舰船上的圆形塑料瓦的安全可靠性能对于舰船安全航行起到至关重要的作用，因此有必要对圆形塑料瓦做进一步的研究。

本文以中心点支承圆形彈性金属塑料瓦推力轴承为研究对象，分析其摩擦学特性，对弹性金属塑料瓦推力轴承特性研究的内容进行了补充。

1 理论分析与数学模型

1.1 理论分析

弹性金属塑料瓦的结构是由自润滑性能良好的聚四氟乙烯层、金属丝层和钢制瓦基层构成（钎焊层可忽略）。弹性金属塑料瓦的制作是把成型的弹性复合层钎焊到钢制瓦基上。弹性复合层是由聚四氟乙烯和金属丝用高温高压成型的金属塑料复合材料，其中弹性复合层的厚度约为6～10mm[17]，金属丝层起到将聚四氟乙烯和瓦基钢坯连接的作用。这种复合材料的新型轴瓦相对于传统巴氏合金轴瓦来说，具有化学稳定性能好、摩擦系数小以及承载能力大等优点。由塑料瓦的结构特点，本文将弹性复合层近似看成一个整体来研究，即将弹性复合层近似为瓦面，其余为瓦体。

1.2 油膜厚度方程

油膜厚度的变化直接反映出轴瓦的变形量。按照设定的瓦面油膜形状，计算每个单元节点上的油膜厚度值。油楔和瓦面油膜的几何形状如图1所示。

从图7中可以发现，随着进出油坡形长度增加，最小油膜厚度呈现出先升高再下降的趋势;而随着进出油坡形厚度的增加最小油膜厚度则一直趋于下降的状态，其曲面变化规律呈现出单峰性。

从图8-9可以看出，随着进出油坡形长度和厚度的增加，最大油膜压力和最高油膜温度均呈现出下降的趋势。且它们沿进出油坡形厚度方向的变化趋势要大于沿进出油坡形长度的方向。随着进出油坡形长度的增加，最大油膜压力和最高油膜温度的变化情况为下降趋势，且下降的程度趋于平缓，到了长度为8mm后，开始呈现出略微上升的趋势。

根据润滑理论可知，动压滑动推力轴承工作中形成的油膜厚度越厚，则推力轴承承载能力越强，安全可靠性越高，因此本文将最小油膜厚度作为主要参考指标，同时兼顾其他润滑性能参数，根据这个衡量标准来确定圆形塑料瓦最佳的修型尺寸。

当进出油坡形厚度为0.05mm、进出油坡形长度为8mm时，轴瓦的最小油膜厚度达到最大值。同时最大油膜压力和最高油膜温度均为最小值，因此将圆形塑料瓦的瓦面修型为进出油坡形厚度为0.05mm、长度为8mm的中凸型面，使之受载变形后为近似平面，提高推力轴承运行的可靠性，有利于补偿磨损，减少烧瓦现象发生。

3.2 钢基层厚度对润滑性能的影响

图10、11所示为，已知弹性复合层的厚度为6mm，轴瓦的负载比压值为4MPa，轴承平均转速为518r/min，钢基层厚度分别为30mm、31mm、32mm、33mm、34mm时，轴承最小油膜厚度、最高油膜温度的变化规律。

分析可知：随着钢基层厚度的增加最小油膜厚度也随之增加。值得注意的是，随着钢基层厚度的增加最高油膜温度大体呈现下降的趋势，但变化的程度很小，几乎不变。这是由于圆形塑料瓦弹性复合层具有良好的绝热性能，圆形塑料瓦面的温度难以经过弹性复合层传递至瓦体中。钢基层厚度的改变对于最高油膜温度及轴瓦整体温度的影响甚微，可忽略不计。这说明钢基体的存在可抑制轴瓦的热变形，保证推力轴承的安全运行。

3.3 弹性复合层厚度对润滑性能的影响

图12、13所示为，弹性复合层厚度为6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，已知圆形塑料瓦的钢基层厚度为30mm，且载荷与转速等工况条件保持不变。轴瓦的负载比压值为4MPa，轴承平均转速为518r/min，轴承最小油膜厚度、最高油膜温度的变化规律。

分析可知：随着弹性复合层厚度的增加，最小油膜厚度呈下降的趋势。根据润滑理论可知，较小的油膜厚度不利于轴承的安全运行，因此弹性复合层不宜过厚。最高油膜温度随着弹性复合层厚度的增加呈上升的趋势，当弹性复合层加厚到10mm时最高油膜温度出现峰值，不利于轴承散热。这说明弹性复合层越厚对推力轴承的润滑性能越不利。

4 结 论

1）油膜压力使瓦面产生凹变形，油膜温度使瓦面产生凸变形且变形较小，轴瓦瓦面综合变形为凹变形，而传统的巴氏合金瓦推力轴承在工作时轴瓦瓦面会产生凸变形。圆形塑料瓦不良的凹变形会导致烧瓦事故的发生，因此必须要对圆形塑料瓦进行表面修型。

2）根据轴瓦变形云图，为抵消圆形塑料瓦的不良变形，应将轴瓦瓦面形状优化为“馒头”形状。考虑到实际加工情况，将轴瓦预加工成横截面为梯形的轴瓦形状。同时根据计算结果，选择进出油坡形厚度最优值为0.05mm与长度最优值为8mm的瓦面修型尺寸。修型后可使工作时圆形塑料瓦瓦面型线为近似平面或微凸面，提高轴承润滑性能及安全特性。

3）在相同比压和转速的工况下，最大油膜厚度随着弹性复合层厚度的增加而减小，随着钢基层厚度的增加而增加。当弹性复合层加厚到10mm时最高油膜温度出现峰值，不利于轴承散热。钢基层厚度的改变对于最高油膜温度及轴瓦整体温度的影响甚微，可忽略不计。

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（编辑：王 萍）