武中德，張 宏，張培良，吳軍令

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大型水潤滑推力軸承熱彈流潤滑性能分析

武中德，張 宏，張培良，吳軍令

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

本文借助ANSYS軟件的熱傳導(dǎo)和熱彈變形分析功能，將推力軸承熱流體動(dòng)力潤滑性能分析和推力瓦及推力盤的熱彈變形計(jì)算兩部分迭代求解，實(shí)現(xiàn)了推力軸承的熱彈流分析，計(jì)算出了水膜厚度、水膜壓力、水膜溫度、流量、損耗及推力軸承和推力盤的溫度分布和熱彈變形。通過對大型水潤滑推力軸承進(jìn)行熱彈流潤滑性能分析，發(fā)現(xiàn)大型水潤滑推力軸承的變形較小，水膜較薄。

水潤滑；推力軸承；熱彈流

0 前言

推力軸承的熱流體動(dòng)力潤滑性能分析的求解域?yàn)橥呙娴纳刃螡櫥瑒┠?，通過求解雷諾方程和能量方程，并考慮潤滑劑的溫粘效應(yīng)，就可以得到軸承的潤滑性能[1]。而要實(shí)現(xiàn)推力軸承的熱彈流分析，就要考慮推力盤、推力瓦等的熱彈變形，并和推力軸承熱流體動(dòng)力潤滑性能分析部分迭代求解。對于水潤滑或油潤滑推力軸承，其求解過程是一樣的。推力盤、推力瓦等的熱彈變形計(jì)算可以采用簡化的模型[2-5]，也可以采用結(jié)構(gòu)分析軟件[6-9]。采用結(jié)構(gòu)分析軟件（如Ansys、ADINA等），則是通過外部迭代求解。

本文借助ANSYS軟件的熱傳導(dǎo)和熱彈變形分析功能，對某大型主泵電機(jī)水潤滑推力軸承進(jìn)行熱彈流潤滑性能分析。

1 推力軸承結(jié)構(gòu)

某主泵電機(jī)推力軸承采用可傾式扇形推力瓦結(jié)構(gòu)。瓦面材料和鋼瓦基為平面接觸，靠加工精度保證。采用球面支承塊支承（如圖1所示）。水潤滑推力軸承的瓦面材料，采用石墨的情況較多，也有復(fù)合材料的情況[10-11]。

大型水潤滑推力軸承，為確保工作時(shí)的瓦面為微凸面，瓦面預(yù)成形為柱面、球面或簡單的多段柱面，便于起動(dòng)過程中，瓦面快速形成水膜。

瓦面的內(nèi)、外徑和兩側(cè)邊，采用一定的結(jié)構(gòu)件，限制瓦面的徑向和周向以及厚度方向的竄動(dòng)。

圖1 推力軸承瓦

2 推力軸承特性的計(jì)算

2.1 計(jì)算分析方法

推力軸承熱流體動(dòng)力潤滑性能分析和推力盤、推力瓦等的熱彈變形計(jì)算，通過瓦面和推力盤面的變形數(shù)據(jù)，兩部分迭代求解。

大型水潤滑推力軸承需要預(yù)成型為柱面、梯形面等，柱面或梯形面的尺寸與熱彈流計(jì)算的結(jié)果項(xiàng)對應(yīng)[12-15]。

瓦面材料和鋼瓦基通過一定的工藝結(jié)合為一體，以材料特性區(qū)來分兩種材料；瓦面材料和鋼瓦基為平面接觸，除此之外，還要考慮接觸面特性。

2.2 停機(jī)狀態(tài)軸承特性

大型水潤滑推力軸承，瓦面預(yù)成形為柱面，停機(jī)狀態(tài)，軸承瓦面理論上承擔(dān)線負(fù)荷。對瓦的平面瓦面施加線載荷，進(jìn)行了接觸應(yīng)力的計(jì)算，根據(jù)載荷大小，確定線負(fù)荷，進(jìn)而確定軸向應(yīng)力和水平方向應(yīng)力以及瓦變形。如圖2~4所示。

圖2 瓦面Z向受力

圖3 瓦面XY向受力

圖4 瓦變形

停機(jī)狀態(tài)，推力軸承承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量。瓦面線負(fù)荷會出現(xiàn)局部應(yīng)力較大，僅轉(zhuǎn)子重量，并不會對瓦面造成不利的嚴(yán)重影響。

2.3 瓦基和瓦面變形

推力軸承采用球面支撐，工作狀態(tài)下，推力軸承瓦面Z向和XY向受力分別如圖5，6所示，Z向壓力和XY向剪力均較小。瓦基由于受力載荷的影響，其變形如圖7所示，為凸變形。瓦面材料的彈性模量一般低于瓦基，會產(chǎn)生較小的凹變形，但瓦面材料的整體變形會隨著瓦基而變。

推力軸承受溫度梯度的影響，瓦基、瓦面和推力盤均會產(chǎn)生熱彈變形。

推力軸承運(yùn)行過程中，受載荷和溫度梯度的影響，瓦和推力盤會產(chǎn)生熱彈變形（如圖10、12所示）。

圖5 瓦面Z向受力

圖6 瓦面XY向受力

圖7 瓦基變形

2.4 軸承特性

推力軸承穩(wěn)定運(yùn)行的工作狀態(tài)，瓦面能夠形成連續(xù)的水膜，這一過程中軸承不會造成磨損，能夠?qū)崿F(xiàn)軸承的長壽命。所以，長壽命水潤滑軸承均是按流體動(dòng)力潤滑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

推力軸承的熱彈流計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 推力軸承參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

推力軸承瓦面水膜厚度、水膜壓力分布分別如圖8~10所示。推力瓦和推力盤的溫度分布和變形分別如圖11~14所示。

圖8 水膜厚度分布（mm）

圖9 水膜壓力分布（MPa）

圖10 水膜溫度分布（℃）

圖11 瓦變形

圖12 瓦溫度分布

圖13 推力盤變形

圖14 推力盤溫度分布

3 軸承性能分析

在軸承運(yùn)行過程中，由于推力瓦傾斜和變形的影響，最小水膜處在中徑附近靠近出水邊。推力軸承瓦面最大壓力與單位壓力之比為3.56，說明瓦面和推力盤的變形較大，這和瓦面的預(yù)成型的柱面大小有關(guān)。

瓦面變形的大小是否合適，取決于水膜厚度分布是否合理。

推力軸承瓦變形如圖11所示，為微凸，隨著載荷的增加，這種凸變形加大。瓦面變形雖然為凸變形，這一變形的量級較小，需要適當(dāng)加大，以提高軸承性能。所以瓦面設(shè)計(jì)成柱面，一是利于起動(dòng)時(shí)形成水膜，二是為了提高軸承的承載能力。但柱面尺寸較大，會降低軸承承載能力。

推力盤的變形較小。

推力軸承運(yùn)行過程中，瓦面的周向會產(chǎn)生傾斜，徑向也會產(chǎn)生傾斜。由于受飛輪較大剛度的影響，推力盤的力變形很小，其微凸的變形主要是受溫度的影響。

4 結(jié)論

大型水潤滑推力軸承軸承設(shè)計(jì)時(shí)，瓦面型面的尺寸需合理控制，否則嚴(yán)重影響瓦面的水膜厚度分布。

考慮推力盤、推力瓦、水膜等的完整推力軸承性能分析，才能準(zhǔn)確預(yù)測軸承性能。推力盤、推力瓦等的熱彈變形計(jì)算采用結(jié)構(gòu)分析軟件，即使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也無需簡化模型，實(shí)現(xiàn)分析準(zhǔn)確性。

[1] 平克斯O，斯德因李希特B.，流體動(dòng)力潤滑理論[M]，西安交通大學(xué)軸承研究小組譯，機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[2] 劉從民，周世昌，王繼志，齊毓霖. 推力軸承潤滑過程的有限元數(shù)值模擬[J]. 哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào). 1991, 14(3)：274~285.

[3] 陳渭, 朱均, 薛永寬. 大型推力軸承熱彈流動(dòng)力潤滑的性能計(jì)算[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù). 1994, (4): 51-54

[4] 董勝先, 馬求山. 大型重載推力軸承熱彈流計(jì)算及尺寸效應(yīng)[J]. 潤滑與密封. 2014, 39(8): 108-111

[5] B Huang, ZD WU, JL Wu and LQ Wang. Numerical and experimental research of bidirectional thrust bearings used in pump-turbines. JOURNAL OF ENGINEERING TRIBOLOGY. 2012，226(9)：795-806

[6] 武中德，張宏，張仁江，于秋敏，劉阿麗，吳軍令. 屏蔽電機(jī)水潤滑推力軸承潤滑性能研究. 大電機(jī)技術(shù). 2003，(7)：56~57.

[7] 武中德, 王黎欽, 曲大莊, 齊毓霖. 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承熱彈流潤滑性能分析[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2001，21(2)：147-150

[8] 武中德, 張宏, 任忠海, 王黎欽, 曲大莊, 齊毓霖. 小支柱簇雙層瓦推力軸承熱彈流潤滑性能分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2003, 35(1)：81-84.

[9] 武中德, 吳軍令. 雙向推力軸承設(shè)計(jì)及熱彈流潤滑性能分析[J]. 大電機(jī)技術(shù). 2010,(6)：26-28

[10] 曲大莊，武中德，李夢啟，金樂. 推力軸承平衡塊支撐結(jié)構(gòu)的均載能力[J]. 大電機(jī)技術(shù). 2015,(5)：1-7.

[11] 范壽孝，吳軍令，武中德. 平衡塊支撐式推力軸承的研究. 大電機(jī)技術(shù). 2011，(2)：23~25.

[12] 武中德.彈性金屬塑料瓦推力軸承熱彈流性能分析.大電機(jī)技術(shù). 1996, (5)：1~7.

[13] 武中德, 張宏. 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承設(shè)計(jì)[M]. 水電設(shè)備的研究與實(shí)踐. 北京, 2009.

[14] 林英偉, 張宏, 童旭松, 武中德. 抽水蓄能機(jī)組推力軸承性能分析[J]. 大電機(jī)技術(shù). 2008,(7)：53-56.

[15] 劉平安，武中德. 彈性金屬塑料瓦推力軸承的瓦面形狀. 大電機(jī)技術(shù). 2008，(3)：8~10.

Thermo-elastic-hydrodynamic Lubrication Performance Analysis of Water-lubricated Thrust Bearing

WU Zhongde; ZHANG Hong; ZHANG Peiliang; WU Junling

(Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China)

The thermo-hydrodynamic lubrication and thermo-elastic-deformation are resolved iteratively to get the results of the thickness, pressure, temperature, flow and friction loss of lubricant, and temperature distribution and thermo-elastic-deformation of the pad and thrust disk, the thermo-elastic-deformation of thrust bearing and thrust disk is analyzed with ANSYS. The thermo-elastic-hydrodynamic lubrication performance of water-lubricated thrust bearing have been analyzed. The thickness of water film and deformation of the pad and disk is smaller for large thrust bearings with water-lubrication.

water-lubrication; thrust bearing; thrust disk; thermo-elastic-hydrodynamic

TM303

A

1000-3983(2017)02-0017-04

2016-10-21

武中德（1966-），2001年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，高級工程師，主要從事大型電機(jī)軸承技術(shù)研究。

審稿人：孫玉田