康建峰，王建梅，薛亞文，黃訊杰，馬立新，韋安柱，曹玉發(fā)

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024;2.中石化潤滑油研發(fā)中心，北京 100085)

油膜軸承是軋鋼生產(chǎn)線上非常重要的零部件。隨著軋制工藝的不斷優(yōu)化和軋機(jī)面向高速、重載、高強(qiáng)度、高剛度、高精度、連軋化和自動(dòng)化方向的發(fā)展，油膜軸承的設(shè)計(jì)制造、使用維護(hù)都面臨著新的挑戰(zhàn)和要求，其中必要的措施之一是保證兩摩擦副脫離接觸，避免發(fā)生接觸磨損。

通過對動(dòng)壓油膜軸承潤滑理論的研究，可定性分析摩擦對軸承承載性能的影響。袁成清等[1]模擬了滑動(dòng)軸承各個(gè)典型磨損過程，結(jié)果表明檢測潤滑油中的磨粒信息可以間接獲得滑動(dòng)軸承磨損表面的特征，進(jìn)而進(jìn)行滑動(dòng)軸承的狀態(tài)診斷。陳皓生等[2]根據(jù)軸承表面形貌對潤滑效果的影響，推導(dǎo)出修正的Reynolds方程，并得出影響流量的因子有表面形貌的粗糙度和紋理。張朝等[3]研究表明粗糙度總是減小最小油膜厚度，并使油膜壓力在接觸區(qū)劇烈振蕩，其幅值大于光滑表面時(shí)周期內(nèi)的最大油膜壓力。王震華等[4]計(jì)算了不同偏心率、軸頸傾斜角、表面粗糙度、表面方向參數(shù)下的軸承潤滑性能，結(jié)果表明表面粗糙度在最小油膜厚度較小時(shí)對傾斜軸頸軸承潤滑性能產(chǎn)生影響。楊偉等[5]對計(jì)入和不計(jì)入其表面粗糙度的滑動(dòng)軸承過盈配合進(jìn)行了仿真分析，提出了滑動(dòng)軸承外徑面的表面粗糙度在一定程度上影響著滑動(dòng)軸承過盈配合性質(zhì)。

可見，軋機(jī)油膜軸承的粗糙度同樣是磨擦過程中合金表面質(zhì)量最直觀的特征，油膜形狀與厚度、油膜壓力與分布、溫度場以及摩擦力等直接影響到軸承合金表面的膠合、擦傷和接觸性疲勞失效。

1 油膜軸承簡述

油膜軸承又稱液體摩擦軸承，是一種主要零件加工精度、表面粗糙度以及各種相關(guān)參數(shù)的匹配都是非常理想的滑動(dòng)軸承。工作時(shí)根據(jù)軋輥轉(zhuǎn)速、潤滑油粘度和楔形間隙使得軸承承載區(qū)形成一個(gè)完整的壓力油膜，使兩金屬脫離接觸形成液體摩擦。具有承載能力大、使用壽命長、速度范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦系數(shù)低、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以，動(dòng)壓油膜軸承不僅適用于軋機(jī)上，還適用在低速度、大載荷、多沖擊、工作環(huán)境差、能源消耗低及安全程度高的其他重型機(jī)械上。如圖1所示是試驗(yàn)軋機(jī)動(dòng)壓油膜軸承。

圖1 試驗(yàn)軋機(jī)動(dòng)壓油膜軸承Fig.1 The test mill hydrodynamic oil-film bearings 向

在軋制過程中，軋制力會(huì)使軋輥中心與油膜軸承中心產(chǎn)生偏心，兩者徑向間隙內(nèi)形成發(fā)散區(qū)和收斂區(qū)。旋轉(zhuǎn)的軋輥將有粘度的潤滑油從發(fā)散區(qū)帶入收斂區(qū)，潤滑油產(chǎn)生壓力，油膜內(nèi)各點(diǎn)的壓力沿徑的合力就是油膜軸承的承載力，如圖2示。當(dāng)軋制力大于承載力時(shí)，軋輥中心與油膜軸承中心之間的偏心距增大。在收斂區(qū)內(nèi)軸承間隙沿軸頸旋轉(zhuǎn)方向變陡，最小油膜厚度變小，油膜壓力變大，承載力變大，直至與軋制力達(dá)到平衡，軸頸中心不再偏移，油膜軸承與軸頸完全被潤滑油隔開，理論上形成的是全流體潤滑。

圖2 油膜軸承工作原理圖Fig.2 Work schematic of oil film bearing

動(dòng)壓油膜軸承的工況非常惡劣，一旦發(fā)生失效勢必導(dǎo)致軋機(jī)停產(chǎn)。造成軸承失效的原因有許多，其中磨損成為可能導(dǎo)致油膜軸承失效的主要問題之一。

2 油膜軸承潤滑理論

為了全面研究油膜軸承的磨損問題，以試驗(yàn)軋機(jī)動(dòng)壓油膜軸承為研究對象，低速輕載時(shí)可以使用剛流計(jì)算思路進(jìn)行理論分析，對于高速重載時(shí)均需要考慮彈性變形和粘溫粘壓關(guān)系，借助經(jīng)典潤滑理論與彈性變形相耦合的彈性流體動(dòng)力潤滑理論進(jìn)行分析。

2.1 雷諾方程

圖3 Reynolds方程坐標(biāo)系Fig.3 The coordinate system of Reynolds equation

雷諾方程是滑動(dòng)軸承計(jì)算中最基本的方程，描述了油膜壓力與其它各參數(shù)之間的關(guān)系?？紤]到軋機(jī)油膜軸承的工況特點(diǎn)，一般采用二維雷諾方程進(jìn)行計(jì)算。按照圖3所示的坐標(biāo)系建立雷諾方程，其基本形式為:

式中x——周向坐標(biāo);

y—— 軸向坐標(biāo);

P——軸承的油膜壓力;

h——軸承的油膜厚度;

ρ——潤滑油密度;

η——潤滑油粘度;

U——軋輥轉(zhuǎn)速;

2.2 膜厚方程

油膜厚度是指軋輥錐套與襯套之間的楔形間隙，是彈流計(jì)算時(shí)的重要幾何參數(shù)。膜厚沿周向變化，軸心的平衡位置通過偏位角α和偏心率ε來確定。剛流時(shí)的膜厚方程為:

考慮彈性變形的膜厚方程為:

式中:δ為半徑間隙;δe為彈性變形;

導(dǎo)致油膜軸承失效的因素很多，其中之一是由于軸頸的傾斜而引起油膜厚度的減薄，以致油膜發(fā)生破裂，軋輥與襯套合金表面發(fā)生磨損?？紤]傾斜的膜厚方程[6]為:

式中:r——軸承軸向中截面距端面的坐標(biāo)值;

R——軸承襯套內(nèi)徑;

L——軸承寬度;

λ——輥徑傾斜率;

γ——軋輥華傾斜前后中心線與法向方向的夾角;

2.3 彈性方程

當(dāng)軋機(jī)油膜軸承在高速重載條件工作時(shí)，表面最大的變形往往會(huì)達(dá)到甚至超過最小油膜厚，尤其是對低彈性模量的襯套材料，更加不容忽視彈性變形對油膜壓力和油膜厚度的影響。典型的彈性變形計(jì)算模型有基于Winkler和Boussinesq求解的彈性位移方程。采用Boussinesq方法計(jì)算彈性變形公式為:

2.4 粘度和密度方程

潤滑油最重要的物理特性是粘度和密度?？紤]壓力和溫度對粘度的影響，比較常用的關(guān)系式是Roelands公式，其表達(dá)式為:

式中:ρ0——大氣壓下溫度T0時(shí)的溫度;對于礦物油中的試驗(yàn)常數(shù)通?？扇1=0.6×10－9m2/N，B2=1.7 × 10－9m2/N，Dρ= － 0.0007 K－1.

2.5 流速方程

軋輥的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)潤滑油流動(dòng)，軋輥界面上的流體速度等于軋輥速度。由于軸承固定于軸承座上，則襯套界面上的流體速度為零，因此潤滑油中任一點(diǎn)的流速可化簡為:

2.6 摩擦力及摩擦系數(shù)

由牛頓流體定義可得剪切力，總阻力為總剪切力對兩軸承表面進(jìn)行積分，圓周方向的總剪切力:F=?τdA.若考慮油膜破裂區(qū)域的情況，工作時(shí)軸承表面上的總阻力為[7]:

總摩擦阻力應(yīng)是承載區(qū)和非承載區(qū)的總和，考慮到非承載區(qū)不產(chǎn)生油膜壓力，故不作摩擦阻力計(jì)算，則總摩擦阻力近似等于承載區(qū)摩擦阻力。其中摩擦系數(shù)為:

式中:Fz=?τzdA

油膜軸承圓周方向的剪應(yīng)力主要由剪切流和壓力流兩部分產(chǎn)生的，而軸向的剪應(yīng)力僅由壓力流產(chǎn)生，因此，總的無量綱摩擦力也是由剪切流和壓力流產(chǎn)生的摩擦阻力組成。本文分別計(jì)算了軸頸表面與軸承表面的摩擦力，以及油膜破裂非工作區(qū)的摩擦阻力。

如圖4所示，各項(xiàng)摩擦力隨偏心率的增大而增大，變化趨勢基本相似。偏心率較小時(shí)，壓力流很小，摩擦阻力增加幅度不大。當(dāng)偏心率接近0.90時(shí)，壓力流增強(qiáng)，由壓力流產(chǎn)生的摩擦阻力會(huì)急劇增加。當(dāng)偏心率繼續(xù)增加時(shí)，無量綱油膜摩擦力甚至呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)增長趨勢。文中給出了考慮和不考慮油膜破裂區(qū)摩擦阻力情況輥徑和軸承的無量綱摩擦阻力，輥徑表面的無量綱摩擦阻力在大偏心率時(shí)遠(yuǎn)大于軸承表面的無量綱摩擦阻力，因此一般摩擦力計(jì)算通常只考慮輥徑表面的摩擦阻力。

圖4 工作區(qū)域和非工作區(qū)域無量綱摩擦阻力隨偏心率的變化曲線Fig.4 The varying curve of dimensionless friction force in work zone and non work zone with different eccentricity

圖5 工作區(qū)域和非工作區(qū)域無量綱摩擦阻力隨偏心率的變化曲線Fig.5 The varying curve of dimensionless friction force in work zone and non work zone with different eccentricity

圖4、圖5給出了考慮粘度變化的無量綱摩擦阻力，潤滑油粘度隨油膜壓力的增加而增大，潤滑油流動(dòng)所需克服的剪應(yīng)力增加，輥徑和軸承表面的無量綱摩擦阻力都會(huì)有不同程度的增加。但是油膜破裂區(qū)的油膜壓力為零，因此油膜破裂后非工作區(qū)的無量綱摩擦阻力不受粘度變化的影響，同時(shí)隨偏心率的變化曲線平緩。鑒于此，為簡便計(jì)算和節(jié)約計(jì)算時(shí)間，通常忽略該項(xiàng)摩擦阻力。

另外，從上圖還可以看出無量綱摩擦力隨寬徑比的增加略有增加，但增加幅度不明顯。在小偏心率時(shí)，寬徑比小反而摩擦阻力會(huì)略有增加，可能與軸承端泄較大導(dǎo)致剪切流壓力較大有關(guān)，在大偏心率時(shí)無量綱摩擦阻力隨寬徑比變化不明顯。

3 實(shí)驗(yàn)測量

太原科技大學(xué)建設(shè)了國內(nèi)唯一的大型軋機(jī)油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)[8]，如圖6所示，可以在線動(dòng)態(tài)模擬各類軋機(jī)軸承的運(yùn)行工況。本文通過在不同工況時(shí)給定的軋制力和轉(zhuǎn)速，在運(yùn)行一段時(shí)間后，對襯套合金表面的粗糙度進(jìn)行測量，分析軸承巴氏合金的表面質(zhì)量。該研究對油膜軸承全方位的摩擦學(xué)研究具有一定的參考意義。

圖6 軋機(jī)油膜軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.6 The test platform of mill oil-film bearing

動(dòng)壓油膜軸承表面粗糙度的測量采用TR200粗糙度儀，如圖7所示。在測量工件表面粗糙度時(shí)，將傳感器放在工件被測表面上，由儀器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器沿被測表面做等速滑行，傳感器通過內(nèi)置的銳利觸針感受被測表面的粗糙度，將引起觸針產(chǎn)生位移，使傳感器電感線圈的電感量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生成比例的模擬信號(hào)，最終通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)在液晶顯示器上讀出，可存儲(chǔ)、打印輸出。

圖7 粗糙度的測量Fig.7 The roughness measurement

對油膜軸承綜合試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)軸承進(jìn)行測量點(diǎn)的布置，如圖8所示，其中1-14為承載區(qū)，15-27為非承載區(qū)。按照劃分區(qū)域利用TR200測量儀對表面粗糙度進(jìn)行測量，采集的數(shù)據(jù)主要有:輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓均方根偏差Rq、輪廓峰谷總高度Rt和輪廓最大高度Rz等。

圖8 粗糙度測量點(diǎn)的布置Fig.8 The layout of roughness measurement point

TR200粗糙儀在取樣長度5 mm內(nèi)粗糙度參數(shù)的定義為:

圖9 油膜軸承表面粗糙度的分布圖Fig.9 Maps of surface roughness with oil-film bearing

如圖9所示，反映了動(dòng)壓油膜軸承表面粗糙的分布等高線，看得出中間部位為周向承載區(qū)的平面延展區(qū)域，隨著軋輥的運(yùn)轉(zhuǎn)，承載區(qū)合金表面的粗糙度的變化相對明顯。

圖10 算術(shù)平均偏差Ra的輪廓Fig.10 The contours of arithmetic average deviation Ra

圖11 均方根偏差Rq的輪廓Fig.11 The contours of the root mean square deviation Rq

圖12 峰谷總高度Rt的輪廓Fig.12 The contour of total height of the peak and valley Rt

圖13 最大高度Rz的輪廓Fig.13 The contours of maximum height Rz

圖10-圖13反映表面粗糙度的形狀及大小。粗糙度數(shù)值能客觀地反映被測表面微觀幾何特性，當(dāng)Ra值越小說明被測表面微小峰谷的幅度越小，表面越光滑。根據(jù)上述測試結(jié)果表明，整體看來承載區(qū)表面局部粗糙度波動(dòng)較大，在油腔位置附近出現(xiàn)了峰值。Rz是被測點(diǎn)處峰高值和峰谷值之和。由于油膜軸承的油膜厚度比較薄，峰值過大可能會(huì)刺穿油膜，破壞整個(gè)油膜平整性。谷值對油膜沒太大的影響，谷值過小只會(huì)是相對于平整處有一個(gè)小的凹陷，造成的結(jié)果就是凹陷處的油膜厚度比較厚。

4 結(jié)論

(1)軋機(jī)在高速重載工作時(shí)，軸承合金表面的粗糙度會(huì)發(fā)生一定的變化，在理論研究的精確計(jì)算中，有必要考慮磨損對油膜厚度、油膜壓力和流量的影響。

(2)根據(jù)所測量的粗糙度數(shù)據(jù)，油膜軸承非承載區(qū)表面比較平整，承載區(qū)變化相對較大，靠近油腔處出現(xiàn)較大的峰谷值，可能是由于加工精度和裝配誤差，或是油液中有雜質(zhì)等諸多原因所造成的。

(3)油膜軸承對襯套和錐套的工作表面精度要求比較高，對表面材料、加工方法、加工精度等方面提出了更高的要求。本論文的研究結(jié)果為以后深入研究油膜軸承提供了一個(gè)新的思路。

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