李波，劉清蟬，林聰，楊明，曹敏，李仕林，林中愛

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217； 2. 中國南方電網(wǎng)公司 電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650217)

0 引言

滑動(dòng)軸承是機(jī)械傳動(dòng)過程中的一個(gè)重要部件，并且在航海領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域都有著較多的應(yīng)用。 軸承性能的好壞主要取決于軸承的潤滑性能，時(shí)至今日，軸承的潤滑吸引了較多的專家和學(xué)者進(jìn)行研究，并涌現(xiàn)出較多的研究成果。張勝倫等人考慮瞬態(tài)沖擊和彈性變形對(duì)滑動(dòng)軸承特性與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了研究[1]；董寧等人研究了考慮固體顆粒和粗糙度的水潤滑飛龍軸承熱彈流潤滑性能[2]；侯夢(mèng)琪等人對(duì)動(dòng)載徑向滑動(dòng)軸承流體潤滑的性能進(jìn)行了分析[3]；雷渡民等人研究了表面織構(gòu)對(duì)滑動(dòng)軸承混合潤滑特性的影響[4]；向建華等人研究了軸頸圓度誤差對(duì)滑動(dòng)軸承潤滑性能的影響[5]；黎偉等人對(duì)多瓦可傾瓦徑向滑動(dòng)軸承進(jìn)行了熱彈流潤滑分析[6]；胡冬良等人研究了動(dòng)壓滑動(dòng)軸承潤滑狀態(tài)與磨損[7]；王小靜等人基于復(fù)合型紊流潤滑理論對(duì)徑向滑動(dòng)軸承紊流潤滑性能進(jìn)行了研究[8]；邵正宇等人對(duì)液體動(dòng)力潤滑徑向滑動(dòng)軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]；陳凌珊等人研究了軸承彈性變形對(duì)動(dòng)載滑動(dòng)軸承潤滑狀況的影響[10]。雖然專家學(xué)者對(duì)軸承的潤滑特性的研究逐年增加，但是大都集中在考慮表面微織構(gòu)、彈性變形及潤滑方式等方面的影響，關(guān)于對(duì)滑動(dòng)軸承的空穴遷移對(duì)潤滑性能的影響尚且較少。因此，本文以動(dòng)壓滑動(dòng)軸承為研究對(duì)象，探究滑動(dòng)軸承的氣穴效應(yīng)對(duì)潤滑性能的影響，必將推動(dòng)滑動(dòng)軸承的潤滑性能的發(fā)展。

1 滑動(dòng)軸承理論模型構(gòu)建

本文研究的對(duì)象為動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的主要工作原理為軸和軸承之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)潤滑介質(zhì)進(jìn)入由兩個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的表面形成油膜間隙，從而使得軸和軸承能夠被油膜分割開，避免硬接觸，從而提高軸承的潤滑效果和軸承的使用壽命。

圖1 動(dòng)壓滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)軸承的潤滑特性是其承載過程中的一個(gè)重要屬性，考慮潤滑介質(zhì)具有一定的粘溫粘壓和密溫密壓特性，因此，準(zhǔn)確地建立動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的潤滑模型就顯得尤為重要[11-12]。彈流潤滑是描述具有粘溫粘壓和密溫密壓特性潤滑介質(zhì)的潤滑性能的最準(zhǔn)確模型，因此，建立動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的彈流潤滑模型如圖2所示。

圖2 彈流潤滑模型

圖2中，R1和R2分別表示軸和軸承內(nèi)孔的半徑，R為等效曲率半徑，U1和U2分別表示軸和軸承的線速度，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后固定U2為0。

彈流潤滑求解過程較為復(fù)雜，忽略溫升，建立準(zhǔn)確的雷諾方程、膜厚方程、流速方程、載荷方程、密壓方程及粘壓方程就顯得尤為重要。根據(jù)動(dòng)壓潤滑基本理論和彈流潤滑模型建立上述方程如式(1)。

Reynolds方程：

(1)

式中，h為油膜厚度，ρ為潤滑介質(zhì)密度，η為潤滑介質(zhì)的粘度。

膜厚方程：

(2)

(3)

式中，h0為中心膜厚，E′為綜合彈性模量，E1和E2分別表示軸和軸承的彈性模量，ν1和ν2為軸和軸承的泊松比。

流速方程：

(4)

載荷方程：

(5)

密壓方程：

(6)

粘壓方程：

η=η0exp((lnη0+9.67)((1+5.1×10-9p)z0-1))

(7)

式中，p為油膜壓力，z0為雷諾粘壓系數(shù)。

2 彈流潤滑數(shù)值分析

根據(jù)上述所建立的彈流潤滑的數(shù)學(xué)模型對(duì)氣穴效應(yīng)下的滑動(dòng)軸承的潤滑性能進(jìn)行分析，得到如下結(jié)果。

圖3描述了不同載荷下的滑動(dòng)軸承的潤滑壓力和膜厚分布圖，載荷的大小在氣穴的界面轉(zhuǎn)移過程中起著重要的作用。通過圖3可以看出：入口區(qū)的油膜壓力隨著載荷的增大而減小，出口區(qū)則相反；但是油膜厚度始終與載荷的大小呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，載荷越大，油膜厚度則越小。

軸與軸承的相對(duì)轉(zhuǎn)速也是影響動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的氣穴效應(yīng)的重要因素之一，因此，轉(zhuǎn)速對(duì)彈流潤滑的壓力和膜厚的影響的研究就顯得尤為重要。圖4描述了不同轉(zhuǎn)速下的壓力和膜厚的分布圖。通過圖4可以看出：壓力峰值隨著無量綱轉(zhuǎn)速的增大而減小，這是由于轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致膜厚增大，故而相應(yīng)的壓力就會(huì)減小；入口區(qū)的壓力與轉(zhuǎn)速之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，出口區(qū)轉(zhuǎn)速對(duì)壓力的影響不大[13]；膜厚與轉(zhuǎn)速之間在任何位置都呈現(xiàn)出了明顯的正相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，油膜壓力也相應(yīng)的越大，此時(shí)，軸承的承載能力增強(qiáng)，氣穴較少。

圖3 不同載荷下的壓力和膜厚分布圖

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的壓力和膜厚分布圖

氣穴效應(yīng)是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的氣泡的游動(dòng)產(chǎn)生的，氣穴效應(yīng)的存在一定程度上改變著滑動(dòng)軸承的潤滑性能，氣穴的尺寸和位置是描述氣穴效應(yīng)的重要指標(biāo)。圖5描述了氣穴在不同位置時(shí)的壓力和膜厚的分布圖。通過圖5可以看出：隨著氣穴的位置由入口區(qū)向出口區(qū)移動(dòng)，接觸區(qū)的壓力值逐漸增大；二次壓力峰的位置隨著氣穴位置的移動(dòng)而右移，并且壓力峰數(shù)值變大；膜厚呈現(xiàn)出的趨勢(shì)與壓力相反，隨著氣穴位置向出口區(qū)移動(dòng)，膜厚數(shù)值逐漸減小。離軸承的楔形間隙越近，越容易使得顆粒接觸區(qū)周圍流入的潤滑劑減少，膜厚變薄。

圖5 氣穴處于不同位置的壓力和膜厚分布圖

圖6描述了不同氣穴尺寸對(duì)滑動(dòng)軸承的潤滑壓力及膜厚的影響關(guān)系。通過圖6可以看出：油膜的壓力與氣穴尺寸之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，氣穴范圍的半徑越大，油膜壓力相應(yīng)越大，并且接觸區(qū)的壓力波動(dòng)幅值越大；膜厚與氣穴范圍尺寸之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，氣穴尺寸越大，油膜厚度越小，軸承的承載能力變差。

3 結(jié)語

1) 入口區(qū)的油膜壓力隨著載荷的增大而減小，出口區(qū)則相反；但是油膜厚度始終與載荷的大小呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，載荷越大，油膜厚度則越小。入口區(qū)的壓力與轉(zhuǎn)速之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，出口區(qū)轉(zhuǎn)速對(duì)壓力的影響不大；膜厚與轉(zhuǎn)速之間在任何位置都呈現(xiàn)出了明顯的正相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，油膜壓力也相應(yīng)的越大。

圖6 氣穴尺寸不同時(shí)壓力和膜厚的分布圖

2) 隨著氣穴的位置由入口區(qū)向出口區(qū)移動(dòng)，接觸區(qū)的壓力值逐漸增大；二次壓力峰的位置隨著氣穴位置的移動(dòng)而右移，并且壓力峰數(shù)值變大；膜厚呈現(xiàn)出的趨勢(shì)與壓力相反；油膜的壓力與氣穴尺寸之間呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，氣穴范圍的半徑越大，油膜壓力相應(yīng)越大，并且接觸區(qū)的壓力波動(dòng)幅值越大。