董衛(wèi)紅， 曹寒， 陳丹， 馬駿

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 前言

流體動(dòng)壓推力軸承由于其具有摩擦功耗小，承載能力大， 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)， 從而被廣泛應(yīng)用在軸向承載的各種回轉(zhuǎn)設(shè)備中。 目前， 推力軸承廣泛采用的結(jié)構(gòu)有3 種： 固定瓦推力軸承和點(diǎn)、線支承可傾瓦推力軸承、 點(diǎn)支承可傾瓦推力軸承。3 種軸承在工程上的使用效果即使同一種機(jī)組不同臺(tái)份同一個(gè)軸承都不一樣。 因此有必要對(duì)不同支撐方式對(duì)推力軸承性能影響研究。

2 不同支撐方式對(duì)推力軸承性能影響的理論分析

2.1 推力軸承分析模型的基本方程

推力軸承分析模型的基本方程為二維雷諾方程， 其基本假設(shè)： （a）潤(rùn)滑油不可壓縮， 且為牛頓流體， （b）潤(rùn)滑油流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)的層流流動(dòng)且無(wú)滑移，（c）徹體力和慣性力忽略不計(jì)， （d）因輕載不考慮瓦的彈形變形和熱變形， （e）沿油膜厚度方向上恒溫恒壓，（f）除黏度外流體的其他物性參數(shù)為常量。 在上述假設(shè)下， 普通形式的油膜穩(wěn)態(tài)壓力方程為

式中： p 為油膜壓力； μ 為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度； Ω 為轉(zhuǎn)子角速度。

（τ1： 為油膜破裂邊界； τ： 油膜周圍邊界）

Reynolds 方程是一個(gè)二階微分方程， 通常情況下沒(méi)有解析解。 為了揭示流體潤(rùn)滑的基本規(guī)律，通?？蓪⒍S流體潤(rùn)滑問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維問(wèn)題， 如假設(shè)軸承為無(wú)限寬， 因而不存在寬度方向上的流動(dòng)， 即此時(shí)， 雷諾方程化為一維方程， 這就是所謂的無(wú)限寬理論。 把二維問(wèn)題處理成一維問(wèn)題雖然不可避免會(huì)引起計(jì)算誤差， 但由于一維問(wèn)題的解通常是解析的， 因而對(duì)于復(fù)雜問(wèn)題往往能夠方便地給出近似的定量估計(jì)， 所以上述一維理論從某種意義上說(shuō)仍具有重要意義， 其計(jì)算結(jié)果在一定工況和參數(shù)范圍內(nèi)也仍具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值[1]。

2.2 固定瓦推力軸承一維分析

固定瓦推力軸承由平面和一段斜面聯(lián)合組成，是工程中常見(jiàn)的軸承形式， 參數(shù)意義見(jiàn)圖1。

圖1 固定瓦推力軸承參數(shù)示意圖

其油膜厚度函數(shù)為：

由于p 僅是h 的函數(shù)， 所以p 在階梯處是連續(xù)可導(dǎo)的。

軸承的承載能力：

如L2=0 則h0表示了一普通斜面軸承最大壓力點(diǎn)處的油膜厚度， 如 L2＞0， h0值比斜面軸承小，表明壓力點(diǎn)向流出方向偏移， 但由于h0＞h2， 所以最大壓力點(diǎn)將總是位于周長(zhǎng)的傾斜部分。 組合軸承的承載能力當(dāng)L1／L2=5 時(shí)最佳， 此時(shí)軸承的承載能力將比相當(dāng)面積的斜面軸承高出25%左右， 但此時(shí)由于最小膜厚所在區(qū)域較長(zhǎng)， 導(dǎo)致斜平面軸承的摩擦損失較大。

在斜面軸承中，值隨運(yùn)動(dòng)條件而變化。

最大壓力處的膜厚：

軸承承載能力：

最大壓力處的膜厚h0=1.37h2。 軸承承載能力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)與傾斜參數(shù)a的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 軸承承載能力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)與傾斜參數(shù)a的關(guān)系

由于運(yùn)行工況變化時(shí)a隨載荷增大而減小，會(huì)使最小膜厚減小， 可能造成潤(rùn)滑失效， 但事實(shí)并非如此， 推力軸承工程中常用的比壓＜3.5 MPa，在此范圍內(nèi)a不會(huì)偏離最佳值太遠(yuǎn)， 而且摩擦阻力隨著a值的增大在減小， 使油膜溫度低， 潤(rùn)滑油粘度對(duì)溫度極其敏感， 因此在工程中常用的比壓范圍內(nèi)當(dāng)并不會(huì)造成軸承承載能力明顯差別。

2.3 可傾瓦推力軸承一維分析

可傾瓦推力軸承的瓦塊支撐在支點(diǎn)上并可自由傾斜， 軸承性能計(jì)算可以按照斜面軸承同樣的方法進(jìn)行， 唯一不同的是可傾瓦軸承各瓦的油膜合力在穩(wěn)態(tài)時(shí)必須通過(guò)支點(diǎn)， 而支點(diǎn)的位置在斜面軸承計(jì)算時(shí)所得到的壓力中心x*重合， 每一x*都對(duì)應(yīng)于一個(gè)最小膜厚h2， 由于斜面軸承的壓力分布不對(duì)稱于L/2， 油膜合力總是偏離幾何中心的， 為了使可傾瓦軸承具有一定的承載能力， 起止點(diǎn)位置x*必須在大于L/2 處， 1957 年， Wilcock和Booges 推薦的x*/L=0.58。 當(dāng)支點(diǎn)位置給定時(shí)，可由式（13）求解傾斜參數(shù)a， 進(jìn)而根據(jù)式（12）求出承載能力W。 對(duì)于可傾瓦軸承， 承載能力系數(shù)、摩擦阻力系數(shù)可分別寫為：

可傾瓦軸承， 承載能力系數(shù)、 摩擦阻力系數(shù)與偏支系數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3， 曲線表明X*/L 越大越好，這與文獻(xiàn)[1]中結(jié)論有區(qū)別，需后續(xù)進(jìn)一步研究。

圖3 可傾瓦軸承承載能力系數(shù)、 摩擦阻力系數(shù)與偏支系數(shù)的關(guān)系

在實(shí)際運(yùn)行中， 由于流體經(jīng)過(guò)軸承時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫升而使黏度發(fā)生變化形成油膜， 同時(shí)瓦塊的熱變形和彈性變形也有助于形成潤(rùn)滑膜， 這些因素使得可傾瓦會(huì)走出在支點(diǎn)位置位于幾何中心時(shí)也能形成一定承載能力。

2.4 一維分析結(jié)論

從一維分析可得到， 軸承性能因素受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響， 固定瓦軸承性能對(duì)坡高敏感， 可傾瓦軸承性能對(duì)支點(diǎn)位置敏感， 但在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可傾瓦和固定瓦軸承的承載力系數(shù)及摩擦阻力系數(shù)范圍一致， 因此作者認(rèn)為在參數(shù)設(shè)計(jì)合理的情況下，在常規(guī)的設(shè)計(jì)比壓范圍（＜3.5 MPa）內(nèi)， 2 種軸承支撐方式不同是不會(huì)造成軸承性能的不一致。

2.5 不同支撐方式下軸承性能的二維分析

2.5.1 軸承矩平衡方程

固定瓦軸承二維分析僅雷諾方程， 可傾瓦軸承的二維分析還需力矩平衡方程。

理論上， 瓦塊在液膜驅(qū)動(dòng)力矩作用下可以繞支點(diǎn)沿任意方向傾斜。 瓦塊受力平衡時(shí)， 液膜壓力的合力穿過(guò)瓦塊支點(diǎn)， 驅(qū)動(dòng)力矩為零， 稱此時(shí)液膜合力與瓦面的交點(diǎn)（rb，θb）為靜力平衡點(diǎn)。 如不計(jì)軸向距離， 靜力平衡點(diǎn)位置與支點(diǎn)位置（rz，θz）重合， 如圖4 所示。

圖4 可傾瓦平衡狀態(tài)位置及受力示意圖

取一參考平面與推力盤平面平行， 相距hc，該參考平面與瓦塊平面的交線 （或交線的平行線）為線過(guò)瓦塊圓心O（或平移過(guò)圓心），線與進(jìn)液邊夾角為θg（稱為交線位置角）， 定義線從進(jìn)液邊開(kāi)始繞O 點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)得到的θg為正， 逆時(shí)針為負(fù)， 則取值范圍是 （-π～π）。 如圖 5 所示，γg為瓦繞線的轉(zhuǎn)動(dòng)角（稱為瓦傾斜角， 無(wú)量綱用Gg表示）。 瓦的平衡狀態(tài)可用力矩平衡方程來(lái)描述， 無(wú)量綱形式為：

2.5.2 可傾瓦推力軸承動(dòng)壓液膜收斂條件

如圖5 所示， 不計(jì)潤(rùn)滑液在瓦內(nèi)外測(cè)的泄漏，潤(rùn)滑液沿虛線AB 流動(dòng)。 在推力盤與瓦塊間形成收斂間隙是可傾瓦推力軸承具有動(dòng)壓承載能力的一個(gè)基本條件， 該條件對(duì)瓦塊擺角取值提出了約束。令形成收斂液膜間隙的情況有： （1）當(dāng) θ2≤θg≤θ3時(shí)， 形成全收斂間隙； （2） 當(dāng) θ1＜θg＜θ2時(shí)， 形成局部收斂間隙， 其中在瓦面形成發(fā)散間隙； （3）當(dāng)θ3＜θg＜θ4時(shí) ， 形成 局部收 斂間隙， 其中 在 瓦面形成發(fā)散間隙。 潤(rùn)滑模型求解時(shí)， 需要首先判斷θg取值屬于哪個(gè)區(qū)間， 從而確定最小膜厚位置。

圖5 交線位置角θg 的取值范圍

2.5.3 軸承基本參數(shù)

軸承基本參數(shù)選取按照文獻(xiàn)[2]， 見(jiàn)表1。

表1 軸承基本參數(shù)表

2.5.4 不同支撐方式軸承靜態(tài)性能參數(shù)比較及分析

不同比壓下不同支撐方式軸承靜態(tài)參數(shù)比較如圖6 所示。

圖6 不同比壓下不同支撐方式軸承靜態(tài)參數(shù)比較圖

同尺寸推力軸承， 不同支撐方式下軸承性能相近。 性能參數(shù)不同是因?yàn)橥邏K設(shè)計(jì)參數(shù)不同造成的。 線支撐及點(diǎn)支撐可傾瓦推力軸承在特定的設(shè)計(jì)參數(shù)下潤(rùn)滑性能一致。 從理論的角度， 點(diǎn)支撐和線支撐推力軸承形成全膜潤(rùn)滑所需流量隨著比壓的增加降低明顯， 這是因?yàn)槟ず耠S著比壓增大減小。 固定瓦推力軸承流量功耗對(duì)坡高敏感。

3 不同支撐方式對(duì)推力軸承性能影響的工程分析

3.1 固定瓦推力軸承

結(jié)構(gòu)一般為整塊平面上削出個(gè)瓦塊， 瓦塊之間有凹槽， 沿著液體流動(dòng)方向形成收斂的間隙。瓦面加工平面度要求2 道， 但由于銅材料的加工難度大， 加之大型汽輪機(jī)組推力軸承直徑大， 瓦面加工平面度不易保證， 在場(chǎng)內(nèi)總裝及現(xiàn)場(chǎng)總裝時(shí)通過(guò)接觸檢查修刮瓦面保證推力盤和瓦面的平面度， 由于大型汽輪機(jī)組的推力軸承尺寸大， 存在轉(zhuǎn)子軸承不對(duì)中造成的瓦塊不均勻承載現(xiàn)象。此外， 長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致平面部分磨損， 偏離最佳設(shè)計(jì)值。

潤(rùn)滑方式一般為浸泡潤(rùn)滑， 油從圓周方向某一角度的內(nèi)緣進(jìn)， 外緣出， 單推力盤油出口有時(shí)設(shè)置在推力盤和軸承構(gòu)成的腔室上方， 有時(shí)為了及時(shí)排出一些熱油， 減小攪拌損失， 在腔室圓周方向其他角度也會(huì)設(shè)置排油孔， 這樣可能存在處在上方的瓦塊缺油的現(xiàn)象。 雙推力盤有時(shí)會(huì)在推力盤和軸承構(gòu)成的腔室排油， 有時(shí)會(huì)沿著推力盤外緣整圈排油， 在工程上的應(yīng)用效果即使同一種機(jī)組不同臺(tái)份同一個(gè)軸承都不一樣。

3.2 線支撐可傾瓦推力軸承

線支撐可傾瓦推力軸承瓦塊為單個(gè)瓦塊， 瓦背有一條支撐肋， 寬度一般小于20 mm,瓦塊支撐在墊環(huán)上， 瓦塊需要懸掛限位。 可能影響軸承性能的因素有以下幾個(gè)方面：

（1）瓦塊及墊環(huán)累計(jì)厚度不均， 墊環(huán)和瓦塊均有厚度及平面度要求， 裝配后會(huì)有累計(jì)誤差。

（2）擺動(dòng)線是一條肋， 實(shí)際擺動(dòng)時(shí)會(huì)沿著肋的棱邊擺動(dòng)， 偏離理想的擺動(dòng)節(jié)線位置， 由于肋的設(shè)置是比較窄的， 所以這一點(diǎn)對(duì)軸承性能的影響不大。

（3）限位不合理。 銷子限周向和徑向位， 環(huán)槽限軸向位， 設(shè)計(jì)間隙及加工誤差不匹配可能造成瓦塊擺動(dòng)不良。

3.3 點(diǎn)支撐可傾瓦推力軸承

點(diǎn)支撐可傾瓦推力軸承有平衡式和非平衡式2種。 除了累計(jì)厚度偏差、 限位不當(dāng)問(wèn)題， Tieu[3]發(fā)現(xiàn)一種可逆的靜力失穩(wěn)現(xiàn)象， 目前還未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)從理論上很好地揭示其機(jī)理。Tieu 在一推力盤直徑0.6 m， 最大推力負(fù)荷10 000 N， 最大轉(zhuǎn)速10 000 r/min 的試驗(yàn)臺(tái)上， 對(duì)一點(diǎn)支撐可傾瓦推力軸承做了大量的載荷和轉(zhuǎn)速試驗(yàn)， 得到了靜力穩(wěn)定性隨載荷、轉(zhuǎn)速變化的曲線，發(fā)現(xiàn)可逆的靜力失穩(wěn)現(xiàn)象。

4 總結(jié)

（1）在常規(guī)的設(shè)計(jì)比壓范圍（＜3.5 MPa）內(nèi)， 2種軸承支撐方式不同是不會(huì)造成軸承性能不一致。

（2）工程經(jīng)驗(yàn)表明， 瓦塊的不均載是造成瓦溫超過(guò)報(bào)警值的主要因素。 為了實(shí)現(xiàn)瓦塊均載， 軸承設(shè)計(jì)有自位球面推力軸承及帶均載塊的可傾瓦軸承， 但工程實(shí)踐表明這2 種結(jié)構(gòu)都不是能實(shí)現(xiàn)絕對(duì)均載。 因此后續(xù)有必要分析影響瓦塊均載的因素， 指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造安裝。

（3）在比壓＞3.5 MPa 的情況下， 推力盤變形及瓦塊變形已成為不可忽略的因素。 推力盤相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁受力， 外圓變形最大， 點(diǎn)支撐的可傾瓦軸承允許繞支點(diǎn)做各個(gè)方向的擺動(dòng)， 可以補(bǔ)償一部分變形， 因此當(dāng)推力盤變形不可忽略時(shí)點(diǎn)支撐有一定的優(yōu)勢(shì)。 但因?yàn)橥弑持蝿偠鹊停?瓦塊變形因素也不可忽略， 因此可以考慮在軸承表面進(jìn)行修型， 在冷態(tài)補(bǔ)償瓦塊變形。 雖然推力軸承設(shè)計(jì)目前技術(shù)成熟， 但極端工況下使用的高質(zhì)量高性能軸承依然有待研究。

（4）軸承在工程上的應(yīng)用屬于系統(tǒng)問(wèn)題， 檢修安裝調(diào)整及機(jī)組運(yùn)行控制等多方面因素均會(huì)影響軸承性能。