劉俊 ,安琦 ,高磊

(1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240)

流體動(dòng)壓推力滑動(dòng)軸承是依靠在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面間所形成的油膜壓力來(lái)承載的一種關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，具有摩擦功耗小，承載能力大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在水利、電力、機(jī)械及化工等工業(yè)領(lǐng)域中[1]。以我國(guó)三峽工程為例，在其大型水輪發(fā)電機(jī)組中，推力滑動(dòng)軸承是最重要的組成部分之一，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行[2]。隨著推力滑動(dòng)軸承在高速、重載和高精度等重要場(chǎng)合應(yīng)用范圍的加大，迫切需要更加深入地研究其性能。

下文針對(duì)斜面推力滑動(dòng)軸承，建立在圓柱坐標(biāo)下用有限差分法求解流量的平衡方程，推導(dǎo)出無(wú)量綱壓力分布的計(jì)算方法，進(jìn)而得到斜面推力滑動(dòng)軸承承載能力、發(fā)熱量、泄油量和溫升的計(jì)算式，研究幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承性能的影響規(guī)律，獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳取值。

1 力學(xué)模型

圖1 斜面推力滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)斜面推力滑動(dòng)軸承二維Reynolds方程[4]進(jìn)行無(wú)量綱化，得

(1)

用差分法求解壓力分布，將一塊軸瓦的油膜劃分為許多網(wǎng)格，用各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的壓力值構(gòu)成各階差商，近似取代Reynolds方程中的導(dǎo)數(shù)，將方程化為一組代數(shù)方程，由此解出各節(jié)點(diǎn)上的壓力值，所得出的一組離散的壓力數(shù)值近似地表達(dá)了油膜中的壓力分布。先對(duì)求解區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的壓力賦初值為零，然后采用逐點(diǎn)松弛迭代法便可求解各節(jié)點(diǎn)的無(wú)量綱壓力值Pi,j，針對(duì)整體斜面推力滑動(dòng)軸承，推導(dǎo)軸承各項(xiàng)性能的無(wú)量綱計(jì)算式。

根據(jù)求解得出的油膜壓力分布和作用區(qū)域，由軸承工作表面各微元面積乘以對(duì)應(yīng)的油膜壓力，采用扇形積分公式，便可以求得油膜承載力Wload[5]，即

(2)

推力滑動(dòng)軸承沿圓周方向的總摩擦力為

(3)

由(3)式可以推出每個(gè)網(wǎng)格上離散的摩擦力為

(4)

單位時(shí)間內(nèi)軸承的發(fā)熱量，針對(duì)每個(gè)網(wǎng)格為網(wǎng)格的速度點(diǎn)乘對(duì)應(yīng)的摩擦力，此時(shí)摩擦力的方向與速度方向在同一條直線上。

(5)

泄油量為

Qout=Qr1+QR=

(6)

根據(jù)軸承中產(chǎn)生的熱量與散熱相等的條件，熱平衡方程為

Wheat=CρQoutΔT，

(7)

由此可得到溫升的表達(dá)式為

(8)

2 性能分析

運(yùn)用所編制的Matlab計(jì)算程序，分析了瓦高比h2/h1、長(zhǎng)寬比l/b和瓦塊數(shù)nz等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承性能的影響[6]。

2.1 瓦高比h2/h1對(duì)軸承性能的影響

計(jì)算條件：nz=12;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。變化曲線如圖2～圖5所示，承載能力隨瓦高比的增加先增大后減小，即存在一個(gè)最優(yōu)瓦高比(1.3左右)；長(zhǎng)寬比對(duì)最優(yōu)瓦高比幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)瓦高比很小時(shí)，泄油量很小，發(fā)熱量較大，所以此時(shí)溫升很大。溫升隨瓦高比的增加先急劇下降，在瓦高比達(dá)到1以后，下降的趨勢(shì)趨于平緩，此外隨瓦高比的增加，發(fā)熱量減小和總泄油量增加。因此最優(yōu)瓦高比h2/h1應(yīng)為1.3。

圖2 h2/h1對(duì)承載能力的影響

圖4 h2/h1對(duì)泄油量的影響

圖5 h2/h1對(duì)溫升的影響

2.2 長(zhǎng)寬比l/b對(duì)軸承性能的影響

計(jì)算條件：h2/h1=1.3;nz=6,12,18,24。如圖6～圖9所示，隨長(zhǎng)寬比的增加，承載能力和發(fā)熱量均增加，但長(zhǎng)寬比增加到1.5以后，承載能力和發(fā)熱量的變化都趨于平緩，故長(zhǎng)寬比不應(yīng)該超過(guò)1.5；而泄油量隨長(zhǎng)寬比的增加先增加后減小，在0.8附近達(dá)到最大值，且隨瓦塊數(shù)的增加而增加，增加的幅度愈來(lái)愈小。綜合考慮承載能力和溫升的影響，長(zhǎng)寬比選1比較合適，軸瓦稍多時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大長(zhǎng)寬比的取值。

圖6 l/b對(duì)承載能力的影響

圖7 l/b對(duì)發(fā)熱量的影響

圖8 l/b對(duì)泄油量的影響

圖9 l/b對(duì)溫升的影響

2.3 瓦塊數(shù)nz對(duì)軸承性能的影響

計(jì)算條件：h2/h1=1.3;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。如圖10～圖13所示，隨瓦塊數(shù)的增加承載能力、發(fā)熱量和溫升均減小，只有泄油量增大，且在nz>20后承載能力和溫升的減小都趨于平緩。由此可知，nz的取值不能大于20，否則不僅對(duì)軸承的使用性能影響不大，而且還增大了制造難度，增加了制造成本。

圖10 nz對(duì)承載能力的影響

圖11 nz對(duì)發(fā)熱量的影響

圖12 nz對(duì)泄油量的影響

圖13 nz對(duì)溫升的影響

3 結(jié)論

(1)承載能力隨h2/h1的增加先增大后減小，在h2/h1=1.3時(shí)承載能力最大，且這一最佳值受l/b與nz的影響很小。

(2) 隨著l/b的增加，推力軸承的承載能力和溫升也隨之增大，綜合考慮承載能力和溫升的影響，選擇l/b為1較合適。

(3)nz愈多，溫升愈小，但此時(shí)軸承的承載能力也會(huì)降低，故應(yīng)在考慮軸承實(shí)際尺寸范圍，并保證l/b接近1的情況下，選擇合適的瓦塊數(shù)，且nz的取值不能大于20。