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        軸頸傾斜對水潤滑徑向滑動軸承承載性能的影響

        2022-08-14 12:26:10
        技術與市場 2022年8期
        關鍵詞:水膜軸頸長徑

        吳 杰

        (上海漣屹軸承科技有限公司,上海 200245)

        0 引言

        徑向滑動軸承的動壓潤滑主要依靠軸瓦與軸頸之間的楔形間隙,利用軸頸與軸瓦之間的相對轉動在潤滑介質的膜中產生壓力,使軸頸與軸瓦脫離接觸,軸頸與軸瓦之間的摩擦變?yōu)檩S頸與潤滑介質之間的摩擦,從而大大減小了軸承摩擦副的摩擦系數[1]。徑向滑動軸承具有承載能力強、工作運行平穩(wěn)、噪聲低、能承受較大沖擊載荷等優(yōu)點,應用范圍較為廣泛[2]。當徑向滑動軸承利用水作為潤滑介質時,不但具有上述的優(yōu)點,還可以減小對環(huán)境的污染,降低整個推進系統(tǒng)的復雜程度和成本,所以水潤滑徑向滑動軸承已經廣泛應用于艉軸承、集成電機推進器等領域[3-4]。

        滑動軸承在使用過程中,由于安裝、載荷、沖擊等原因,會使軸頸在軸承內產生一定角度的傾斜,使軸頸的軸線與軸承的軸線并不平行,傾斜后的軸頸會對滑動軸承的承載性能產生一定的影響[5-6]。針對這種情況,許多學者對產生傾斜后滑動軸承的潤滑性能進行了研究,Fangrui Lv等[5]主要研究了在混合潤滑狀態(tài)下,壁面滑移和軸頸錯位對軸承潤滑性能的影響。Parkash Chandra Mishra[6]利用數學模型對軸頸偏斜、內徑不規(guī)則等因素對橢圓軸承的潤滑性能、溫升等進行了分析。

        1 徑向滑動軸承及軸頸傾斜模型

        在理想情況下,當軸頸靜止時,軸承軸線與軸頸軸線相互平行并且處于一個理想平面內,但是在實際使用時,由于沖擊、振動、安裝誤差等原因,軸頸軸線與軸承軸線并不平行,兩條軸線之間會傾斜一定的角度。本文主要針對軸頸位于理想平面內,與軸承軸線發(fā)生傾斜時的情況,傾斜角度為軸頸軸線與軸承軸線之間的夾角,夾角的原點位于軸承的軸向中間截面內,徑向滑動軸承及軸頸的傾斜示意圖,如圖1所示。

        圖1軸承的長度為L,軸承的內徑為D,軸承長度L與軸承內徑D的比值為軸承的長徑比,軸頸軸線與軸承軸線的傾斜角度為β,軸承與軸頸之間的潤滑介質為水。

        軸承半徑與軸頸半徑之間的差值為軸承間隙,軸承圓心與軸頸圓心之間的距離為偏心距,偏心距與軸承間隙之間的比值為軸承的間隙比。

        在實際計算中使用的軸承內徑為350 mm,長徑比分別為2、1.2、0.8,偏心距為0.9,軸承的間隙比為1.5‰,軸頸軸線與軸承軸線之間的傾斜角度取值分別為0°、0.001°、0.002°、0.003°、0.004°。

        圖1 徑向滑動軸承及軸頸傾斜示意圖

        2 仿真計算

        利用Fluent軟件對水潤滑徑向軸承進行仿真計算,Fluent軟件是世界CFD仿真領域最為全面的軟件之一,具有廣泛的物理模型,能夠快速、準確地進行CFD仿真計算。圖2~4為利用Fluent計算后,具有不同長徑比的徑向滑動軸承內的水膜壓力分布云圖。

        圖2 長徑比為2

        圖3 長徑比為1.2

        圖4 長徑比為0.8

        3 結果分析

        3.1 水膜壓力分布

        圖5為最大水膜壓力與軸承長徑比、軸頸傾斜角度的變化曲線,從圖5可以看出水膜最大壓力隨著軸承長徑比、軸頸傾斜角度的增大而增大,而且從圖2~4可以看出,軸承的水膜壓力分布的變化,水膜壓力分布逐漸向軸承間隙變小的一端移動。

        這是因為在相同的傾斜角度下,軸承的長徑比越大,軸承與軸頸之間的最小間隙減小速度越快,不但引起水膜壓力逐漸向間隙減小的一端移動,并且使最大水膜壓力增大的速度加快。當軸承長徑比為0.8,傾斜角度為0.002°、0.003°和0.004°時的最大水膜壓力比無傾斜時的最大水膜壓力分別增大了5.71%、12%和18.9%,而當長徑比增大到1.2時,相同傾斜角度下最大水膜壓力分別增大了24.2%、37.6%和49.4%。當長徑比繼續(xù)增加到2時,最大水膜壓力對軸頸的傾斜角度的變化更加敏感,傾斜角度為0.001°和0.002°時,最大水膜壓力增加了17%和29.2%,繼續(xù)增加傾斜角度到0.003°和0.004°時,此時軸頸與軸承之間的最小間隙僅為幾個微米,最大水膜壓力分別增加了72.1%和635%。

        3.2 軸承承載能力

        圖6為軸承承載能力與軸承長徑比、軸頸傾斜角度的變化曲線,軸承的承載能力也會隨著軸頸傾斜角度的增大而增大,但是相對于最大水膜壓力的變化,軸承承載能力變化會相對平緩。

        軸承長徑比為0.8時,傾斜角度增加到0.003°和0.004°時,相對于無傾斜時的軸承,軸承的承載能力只增大了0.81%和1.10%。當軸承長徑比增大到1.2時,軸承承載能力在傾斜角度為0.003°和0.004°時的增大量為3.84%和4.41%。軸承長徑比增大到2時,在相同的傾斜角度下,軸承的承載能力分別增大了6.39%和27.24%,但是此時軸頸與軸承之間的間隙僅為幾個微米,當傾斜角度為0.002°時,軸承承載能力僅增大了1.68%。

        圖5 最大水膜壓力變化曲線

        圖6 軸承承載能力變化曲線

        4 結論

        利用CFD仿真軟件對不同長徑比的水潤滑徑向滑動軸承進行了計算,分析了軸頸傾斜角度對軸承承載性能的影響,并對比了不同軸承長徑比情況下,最大水膜壓力和軸承承載能力的變化,并且得出了以下結論。

        1)在軸頸軸線相對軸承軸線發(fā)生傾斜時,軸承的水膜壓力分布會逐漸向軸承間隙變小的一端移動,而且最大水膜壓力會隨著傾斜角度的增大而增大。

        2)在傾斜角度相同的情況下,軸承的長徑比越大,最大水膜壓力對傾斜角度的變化越敏感,在傾斜角度為0.003°和0.004°條件下,軸承長徑比為0.8時,最大水膜壓力增大了12%和18.9%,長徑比為1.2時,最大水膜應力增大了37.6%和49.4%,當長徑比達到2時,此時軸頸與軸承之間的間隙只有幾微米,最大水膜應力增大了72.1%和635%。

        3)相對于最大水膜壓力,軸承承載能力的變化要平緩很多,只有當軸頸與軸承的間隙減小到只有幾微米時,軸承的承載能力才會發(fā)生大幅度的增加。

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