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        計(jì)入軸線偏斜的船舶可傾瓦推力軸承潤滑性能分析

        2020-04-30 06:40:52
        船海工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:瓦塊潤滑性傾斜角

        (1.中國船級(jí)社 武漢規(guī)范研究所, 武漢 430022;2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

        船舶推進(jìn)軸系、核主泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械均采用雙向可傾瓦推力軸承,用來承受雙向載荷。轉(zhuǎn)子制造誤差、轉(zhuǎn)子安裝誤差、轉(zhuǎn)子重載懸臂和船體變形等因素都可能造成軸線偏斜。推力盤偏斜后,一方面,主軸承的部分瓦塊受載過重,可能導(dǎo)致油膜破裂進(jìn)而帶來潤滑失效;另一方面,原本不承載的副軸承也會(huì)產(chǎn)生油膜力,兩個(gè)軸承相互影響,增加軸承的總功耗。

        國內(nèi)外針對(duì)推力軸承的軸線傾斜問題研究[1-5]較少同時(shí)考慮熱彈變形和軸線傾斜的可傾瓦推力軸承潤滑特性,為此,提出計(jì)入軸線偏斜的船舶可傾瓦推力軸承熱彈流動(dòng)壓潤滑性能分析方法。

        1 軸承潤滑性能仿真方法

        船舶推進(jìn)系統(tǒng)一般采用雙向可傾瓦推力軸承,推力瓦塊采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱安裝方式。旋轉(zhuǎn)對(duì)稱安裝的2個(gè)軸承的推力瓦塊的支點(diǎn)位置呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,見圖1。

        圖1 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱安裝的雙向推力軸承結(jié)構(gòu)

        沿著軸向從右往左看,推力盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn),左推力瓦的支點(diǎn)位置靠近瓦塊出油邊,右推力瓦的支點(diǎn)位置遠(yuǎn)離瓦塊出油邊,此時(shí),左推力瓦為承載瓦,而右承載瓦不承載;當(dāng)推力盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),右推力瓦的支點(diǎn)位置靠近瓦塊出油邊,左推力瓦的支點(diǎn)位置遠(yuǎn)離瓦塊出油邊,此時(shí),右推力瓦為承載瓦,而左承載瓦不承載。船舶推進(jìn)螺旋槳正反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生相反方向推力,分別作用在2個(gè)推力軸承上,軸線偏斜對(duì)承載軸承影響較大,而對(duì)非承載軸承影響小。針對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱安裝的雙向推力軸承,分析軸線偏斜對(duì)單推力軸承性能的影響。

        對(duì)于單瓦,計(jì)入軸線偏斜和瓦塊熱彈變形的膜厚方程為

        h=hz+γg[rsin(θg-θ)-rzsin(θg-θz)]+

        hq+u

        (1)

        式中:γg為瓦塊擺動(dòng)角;θg為節(jié)線位置角;hz為瓦支點(diǎn)處膜厚;r和θ分別為瓦塊任意點(diǎn)的徑向和周向位置;rz和θz分別為瓦塊支點(diǎn)的徑向和周向位置;u為瓦塊變形;hq為偏斜引起的膜厚變化。

        以軸線偏斜角γ和軸線投影線與X軸夾角β(偏斜方向角)來表征偏斜狀態(tài),見圖2。

        圖2 軸線偏斜分析的坐標(biāo)系

        每種偏斜狀態(tài)均可分解為推力盤分別繞X和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)γx和γy。建立hq的幾何關(guān)系如下。

        (2)

        式中:(θq、rq)為節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),rq=r,θq=(θ0+α)·(i-1)+θ;α為瓦間角;θ0為瓦包角;i為瓦塊編號(hào);tanγ≈γ;0<β<180°,β≠90°;β=0或180°時(shí),γx=0,γy=γ;β=90°時(shí),γx=γ,γy=0。

        單軸承多瓦聯(lián)合計(jì)算時(shí),選擇取值最小的瓦塊的支點(diǎn)膜厚hz0作為多瓦聯(lián)合計(jì)算的傳遞參數(shù),各瓦支點(diǎn)膜厚為

        hz(i)=hz0+hqz(j)-hqz(i)

        (3)

        式中:j為支點(diǎn)膜厚取值最小的瓦塊編號(hào)。

        潤滑模型中的雷諾方程和能量方程采用有限差分法求解。從j瓦開始,逐塊瓦計(jì)算,每塊瓦以壓力中心與支點(diǎn)重合為收斂條件;計(jì)算出所有瓦的總液膜力,與載荷相比較,修正hz0,重新計(jì)算各瓦液膜力,直至與載荷平衡,計(jì)算流程見圖3。

        圖3 各瓦性能計(jì)算流程

        2 計(jì)算結(jié)果及分析

        案例軸承主要參數(shù)見表1。

        表1 案例軸承的主要幾何和工況參數(shù)

        由圖2可知,當(dāng)軸線偏斜方向角β不同時(shí),即使傾斜角γ相同,軸承性能也會(huì)有差異。選擇3種最典型傾斜方向,軸線投影線分別為瓦塊幾何中心(β=17.5°)、瓦塊支點(diǎn)(β=20.3°)和相鄰?fù)唛g中心線(β=40.0°),可涵蓋其他傾斜情況。不同傾斜方向角β和傾角γ下的軸承性能計(jì)算結(jié)果見圖4。

        圖4 不同傾斜位置角和傾角下軸承性能

        由圖4a)可知,隨著軸線傾斜角的增大,瓦塊傾斜角存在先減小再增大的變化趨勢,特別當(dāng)β=40.0°時(shí),這種變化趨勢很明顯。對(duì)于β=17.5°,當(dāng)軸線偏斜角γ<1.05′時(shí),軸線偏斜后瓦傾斜角小于無偏斜時(shí)的瓦傾斜角(1.53′),當(dāng)γ>1.05′時(shí),前者大于后者。β=20.3°時(shí)瓦傾斜角的變化情況相似。表明軸線偏斜位置和程度除了會(huì)改變各瓦的支點(diǎn)膜厚,還會(huì)影響瓦塊的傾斜狀態(tài)。

        由圖4b)~e)可知,隨著軸線傾斜角的增大,最小油膜厚度逐漸減小,最大油膜壓力、最大油膜溫度和翻轉(zhuǎn)力矩均隨之增大。而且軸線偏斜后軸承性能與不偏斜的性能相差較大。相同傾角下,軸承最小膜厚在β=17.5°與β=20.3°時(shí)相近,β=40°時(shí)最大。例如,當(dāng)γ=1.2′,3種β下最小膜厚分別為8.61、8.53和10.75 μm,分別為無傾斜時(shí)的30.4%、30.1%和38.0%;傾斜方向角對(duì)軸承最大液膜壓力和最大油膜溫度的影響規(guī)律與最小膜厚相似。

        因此,從最小膜厚、最大液膜壓力和最大油膜溫度的角度看,軸線投影線過支點(diǎn)這種傾斜方向?qū)S承性能影響最嚴(yán)重,應(yīng)在該傾斜方向下尋找臨界傾斜角(以許用最小膜厚為指標(biāo),軸承不發(fā)生接觸時(shí)能承受的最大傾斜角)。β=20.3°、γ=1.2′時(shí)1#瓦最小膜厚為8.5 μm,膜厚很小,軸承有碰磨的風(fēng)險(xiǎn)。因此,最小膜厚應(yīng)大于許用最小膜厚是限制傾斜角增加的重要條件。

        由于各瓦載荷不均,因此油膜會(huì)對(duì)推力盤產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩,該力矩與轉(zhuǎn)軸偏斜力矩相等。由圖4e)可知,β=40°時(shí)翻轉(zhuǎn)力矩大于另兩種軸線偏斜方向時(shí)的翻轉(zhuǎn)力矩,β=17.5°和β=20.3°時(shí),3#瓦和7#瓦的油膜力大小相近,兩者產(chǎn)生的力矩基本相互抵消,在翻轉(zhuǎn)力矩中其主要作用的是1#、2#和8#瓦;β=40°時(shí),3#瓦的油膜力明顯大于7#瓦的油膜力,兩者產(chǎn)生的力矩差貢獻(xiàn)到了翻轉(zhuǎn)力矩中。

        β=20.3°(瓦塊支點(diǎn))、不同傾角時(shí)各瓦的性能參數(shù)見圖5。

        圖5 不同傾角下軸承各瓦性能

        由于傾斜的對(duì)稱性,2#瓦與8#瓦、3#瓦與7#瓦、4#瓦與6#瓦性能基本相同。軸線偏斜造成各瓦塊傾斜角各部相同,隨著偏斜角的增加,除7#和8#瓦之外,其他瓦塊傾斜角均隨之遞增。偏斜造成各瓦膜厚分布嚴(yán)重不均,如γ=1.2′時(shí)1#瓦最小膜厚為8.53 μm,僅為5#瓦的8.3%。γ=1.2′時(shí),1#瓦最大液膜壓力為17.59 MPa,約為5#瓦的33.2倍,約為平均比壓(1.95 MPa)的9倍。而一般情況下滑動(dòng)軸承最高壓力為比壓的3~4倍,說明傾斜造成部分瓦塊壓力過大而存在材料失效風(fēng)險(xiǎn)。

        上述分析表明,推力盤傾斜對(duì)軸承性能影響較大,特別針對(duì)重載軸承,容易造成潤滑失效和磨損,因此有必要引入和研究瓦塊均載結(jié)構(gòu)。

        3 軸線偏斜極限

        建立如圖6所示的幾何關(guān)系。瓦塊承載能力由無量綱系數(shù)K決定,推力盤偏斜后K為

        (4)

        式中:hz0為無傾斜時(shí)瓦塊支點(diǎn)位置膜厚;α為瓦塊傾斜角;B為瓦寬;x為支點(diǎn)離瓦塊進(jìn)油邊距離;h1和h2為油膜在進(jìn)出口處的厚度,

        h1=hz0-hqz+(B-x)(tanγ-tanα)

        h2=hz0-hqz+x(tanα-tanγ)

        圖6 推力盤偏斜與瓦塊傾斜的幾何關(guān)系

        根據(jù)式(4)可知,當(dāng)推力盤偏斜角γ等于瓦塊傾斜角α?xí)r,h1等于h2,瓦塊無承載能力。因此限制偏斜角增加的條件,除了許用最小膜厚外,還有瓦塊傾斜角。如圖4a)和b),承載力最大的幾瓦塊為1#、2#、7#和8#瓦,這些瓦的傾斜角在1.0′~1.5′之間。隨著的γ增加,γ可能等于這些瓦的傾斜角,此時(shí)軸承界面因難以形成楔形動(dòng)壓油膜而出現(xiàn)潤滑失效。

        4 結(jié)論

        針對(duì)軸線偏斜問題,提出同時(shí)計(jì)入軸線偏斜及熱彈性影響的船舶可傾瓦推力軸承潤滑性能分析方法。運(yùn)用載荷收斂的策略,提出了軸承含全瓦塊的系統(tǒng)迭代算法。

        1)3種典型的軸線偏斜方向中,軸線投影線過支點(diǎn)這種偏斜方向?qū)S承性能影響最嚴(yán)重。隨著偏斜角增加,瓦膜厚度和壓力分布嚴(yán)重不均,軸承總功耗增大。因此,有必要引入瓦塊均載結(jié)構(gòu)。

        2)在瓦塊傾斜角等于軸線偏斜角時(shí),潤滑界面由于難以形成楔形動(dòng)壓油膜而出現(xiàn)潤滑失效。因此,在限制偏斜角增加的條件,除各瓦塊的最小膜厚應(yīng)大于許用最小膜厚外,尚應(yīng)考慮瓦塊傾斜角的影響。

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