饒霽陽(yáng),楊啟明

(西南石油大學(xué),成都 610500)

穩(wěn)態(tài)下多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀況分析

饒霽陽(yáng),楊啟明

(西南石油大學(xué),成都 610500)

對(duì)多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀況進(jìn)行理論分析,得出其在穩(wěn)態(tài)下處于彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑;通過(guò)對(duì)此狀態(tài)下的相關(guān)計(jì)算得出在小間隙下多油楔軸承有較好的彈流潤(rùn)滑性能,并且隨著載荷的增加,膜厚比λ減小,軸承產(chǎn)生磨損的可能性增加。

多油楔;軸承;彈流動(dòng)壓潤(rùn)滑;膜厚比

Abstract:The thesis analyzed the state of hydrodynamic lubrication for the multi-oil wedge floating-ring sliding bearingwhich drew the conclusion that the bearingwas in the state of the elasto-hydrodynamic lubrication when itwas in the steady state.Based on the interrelated calculation,the resultwas that EHL has betterperformance in a small clearance,on the other hand,the film thickness ratio decreased and the wear of the bearing might reduce as the load increased.

Key words:multi-oilwedge;bearing;elasto-hydrodynamic lubrication;film thickness ratio

多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承實(shí)際上就是在軸和軸承座之間加入一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的由多個(gè)變曲率曲面組成的浮環(huán)[1],由于自身能自動(dòng)形成動(dòng)壓潤(rùn)滑以及其自動(dòng)對(duì)中性,此類軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械[2]中有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。據(jù)了解,目前國(guó)內(nèi)外還未見(jiàn)廣泛開(kāi)展這方面的研究,尚無(wú)足夠的資料和實(shí)例可循。本文通過(guò)對(duì)多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸潤(rùn)滑過(guò)程的分析和計(jì)算,得出了一些有益結(jié)論,為其廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 軸承形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑的過(guò)程

本文以 3油楔為例來(lái)分析多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承形成流體動(dòng)力潤(rùn)滑的過(guò)程。圖1為 3油楔軸承剖面,為方便說(shuō)明問(wèn)題,將此圖間隙放大。

當(dāng)軸頸靜止時(shí),軸頸處于軸承孔最下方位置,其與多油楔軸承在軸承曲率半徑最小點(diǎn)A處接觸,軸頸與軸承間形成 3個(gè)收斂的楔形空間,構(gòu)成了流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的條件。

圖1 3油楔軸承流體動(dòng)力潤(rùn)滑

軸頸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速極低,帶入軸承間隙的潤(rùn)滑膜油量極少,此時(shí)軸承對(duì)軸頸摩擦力的方向與軸頸圓周表面速度方向相反,軸頸在摩擦力作用下沿孔壁向右爬升。此階段完全是金屬直接接觸,因此軸承處于干摩擦狀態(tài)

隨著軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)速度升高,卷吸進(jìn)入油楔空間的油量增加,3個(gè)油楔空間 (如圖1所示的ADEB、BEFC及CFDA區(qū)域)油膜產(chǎn)生的動(dòng)壓力共同作用,將軸頸抬起;在此階段,軸頸與軸承摩擦面間的相對(duì)轉(zhuǎn)速仍較低,潤(rùn)滑油膜并不能完全承擔(dān)外載荷,且由于零件加工精度的限制使摩擦表面間微凸體可能發(fā)生明顯的接觸,故此時(shí)軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài),軸承所受載荷由微凸體和邊界膜來(lái)承擔(dān)。

當(dāng)主軸速度增加到一定值時(shí),軸頸可帶入足夠油量把兩摩擦表面完全分開(kāi),并形成壓力油膜以承受外載荷。這時(shí),3個(gè)油楔中油膜產(chǎn)生的動(dòng)壓力矢量與外載荷F相平衡,即進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)階段。如圖1所示的 3油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的內(nèi)表面是由 3個(gè)變曲率曲面組成,在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸頸與軸承內(nèi)表面曲率半徑最小的點(diǎn) (如圖1所示A、B、C點(diǎn))接觸 (從三維空間看是線接觸),因此,多油楔軸承在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)處于彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)。

對(duì)于多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承而言,可以將其看作是 2個(gè)徑向軸承的組合:內(nèi)軸承是由浮動(dòng)套內(nèi)表面與軸頸組成的多油楔軸承;外軸承是由浮動(dòng)套外表面與軸承座組成的普通等徑滑動(dòng)軸承。軸頸起動(dòng)時(shí),兩個(gè)軸承由干摩擦狀態(tài)向邊界潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化,穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),內(nèi)軸承為彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài),外軸承為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)[3]。

2 軸承油膜潤(rùn)滑承載分析

如圖2所示,3油楔軸承的每個(gè)變曲率曲面均有收斂油楔和發(fā)散油楔。當(dāng)間隙中采用油潤(rùn)滑時(shí),就會(huì)形成如圖2所示的 3段承載油膜。順著軸頸方向 ,在由hmax1到hmin1、hmax2到hmin2以及hmax3到hmin3這3個(gè)收斂區(qū)域內(nèi),潤(rùn)滑油膜產(chǎn)生壓力,如圖3所示,F1合、F2合、F3分別為 3段油膜力的合力 ,F合為F1合、F2合、F3合的合力。由于軸頸受垂直向下的徑向載荷,軸頸受載向下偏位,因此下段油膜力大于上段油膜力,故F1合＞F2合＞F3合。穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),3段油膜產(chǎn)生的合力與外載荷F平衡,即F合=F。

由于多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承可看作是內(nèi)、外 2個(gè)軸承的組合,故其油膜承載機(jī)理可分為內(nèi)、外 2部分看,外軸承承載機(jī)理即為普通徑向滑動(dòng)軸承油膜承載機(jī)理[4],內(nèi)外油膜的共同作用使軸承能夠承受外載荷。

圖2 3油楔油膜承載機(jī)理

圖3 油膜受力示意

3 軸承彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑

由于多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的外軸承結(jié)構(gòu)一樣(即普通等徑滑動(dòng)軸承),為簡(jiǎn)化問(wèn)題,本文在對(duì)穩(wěn)態(tài)下多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí),認(rèn)為外軸承的潤(rùn)滑磨損狀況一樣,因此只分析內(nèi)軸承即多油楔軸承的潤(rùn)滑狀況。

對(duì)于多油楔軸承,如前所述,其軸承結(jié)構(gòu)各處曲率半徑并不相同,因此在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),在軸承曲率半徑最小處軸承與軸頸為高副線接觸,此時(shí)軸承處于彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。對(duì)于不同油楔的多油楔軸承,其接觸線的條數(shù)與油楔的個(gè)數(shù)有關(guān)。如圖4所示的3油楔軸承,其高副接觸線有 3條。

圖4 3油楔軸承

在彈流潤(rùn)滑狀態(tài)下,軸承受載變形線接觸都發(fā)生在一個(gè)窄小的面積上。其接觸區(qū)壓力很高,一方面使接觸表面產(chǎn)生彈性變形,接觸區(qū)增寬變平;另一方面也使其間潤(rùn)滑劑粘度大為增加[5](往往增加成千上萬(wàn)倍)。表面的彈性變形和潤(rùn)滑劑的粘度增大會(huì)使?jié)櫥瑒┠さ暮穸却鬄樵黾?并在一定的條件下(高速、輕載),也可實(shí)現(xiàn)兩接觸面被潤(rùn)滑劑分開(kāi)的情況。

4 軸承潤(rùn)滑狀態(tài)計(jì)算

多油楔浮滑軸承基本尺寸參數(shù)如下:軸承寬度L=14 mm;等效圓柱體半徑取軸承最小半徑,即,R1=20 mm;取間隙 0.23、0.12及 0.07 mm進(jìn)行分析,軸承材料為磷青銅,軸頸材料為 Q235鋼,潤(rùn)滑油采用 20號(hào)機(jī)械油,試驗(yàn)所用多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)中浮動(dòng)套的速度很低,其與軸頸轉(zhuǎn)速比一般在0.4～0.9之間變化,此處取浮環(huán)軸承轉(zhuǎn)速ur=0.4 m/s,軸頸轉(zhuǎn)速為 1.047 m/s。結(jié)合彈流潤(rùn)滑理論,根據(jù)表1所示的計(jì)算公式,計(jì)算出多油楔軸承所處的潤(rùn)滑狀態(tài),計(jì)算結(jié)果如表2。

表1 多油楔軸承潤(rùn)滑狀態(tài)計(jì)算公式[6]

表2 多油楔軸承潤(rùn)滑狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1可以看出,穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸承均處于剛性等粘線接觸潤(rùn)滑區(qū) (R-I區(qū)),這主要是由于軸承所受載荷相對(duì)較輕。

軸承在間隙為 0.12、0.07 mm時(shí),膜厚比λ基本大于 3,處于全膜彈流狀態(tài),此種潤(rùn)滑狀態(tài)下,可認(rèn)為不發(fā)生磨損[7]。對(duì)于相同載荷而言,隨著間隙增大,膜厚比λ減小,軸承產(chǎn)生磨損的可能性增加。這主要是因?yàn)殡S著間隙增大,摩擦面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度降低,油膜產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)減弱,軸頸與軸承之間沒(méi)有足夠的油量進(jìn)入并形成承受載荷的壓力油膜,此時(shí)軸承處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)或部分膜潤(rùn)滑狀態(tài),可能會(huì)發(fā)生磨損。

對(duì)于同一間隙,隨著載荷的增加,λ減小。其原因在于軸頸所受的偏心載荷加大,浮動(dòng)套軸承可能失穩(wěn),使產(chǎn)生磨損的可能性增加。

5 結(jié)論

1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),多油楔浮動(dòng)滑動(dòng)軸承的內(nèi)軸承為彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài),外軸承為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)。

2) 載荷一定時(shí),在小間隙下多油楔軸承有較好的彈流潤(rùn)滑性能。

3) 載荷的減小可提高軸承的工作穩(wěn)定性,減小磨損。

[1] 王國(guó)榮,劉清友,鄭加偉,等.流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)下浮動(dòng)套滑動(dòng)軸承工作機(jī)理研究[J].潤(rùn)滑與密封,2004(5):13-15.

[2] 王國(guó)榮,李建偉,譙 英,等.仿真技術(shù)在牙輪鉆頭浮動(dòng)套軸承設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2006,35(6):8-10.

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Analysis of Lubrication for Multi-Oil Wedge Floating-Ring Sliding Bearing in the Steady State

RAO Ji-yang,YANG Qi-ming
(Southwest Petroleum University,Chengdu610500,China)

TE9

A

1001-3482(2010)05-0007-04

2009-10-30

饒霽陽(yáng) (1983-),女,四川成都人,助教,從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、摩擦學(xué)、石油化工機(jī)械的科研和教學(xué)工作,E-mail:raojiyang@sina.com。