姜璟珺 楊 峰 劉澤中 賓光富

(1.湖南科技大學機電工程學院 湖南湘潭 411201；2.寧波豐沃渦輪增壓系統(tǒng)有限公司 浙江寧波 315336)

渦輪增壓器轉子-軸承系統(tǒng)最高工作轉速可達2.1×105r/min，屬于高速輕載型轉子。浮環(huán)軸承因其具有功耗低和穩(wěn)定性好的特點而被普遍使用于渦輪增壓器中。雖然浮環(huán)軸承具有諸多優(yōu)點，但在實際應用中人們發(fā)現浮環(huán)軸承會導致轉子產生不穩(wěn)定的現象。隨著制造技術以及相關理論的發(fā)展，研究表明表面織構可以改善軸承油膜潤滑性能，提高軸承運行穩(wěn)定性[1]。KANGO和SHARMA[2]通過求解Reynolds方程研究橫、縱向織構粗糙度對滑動軸承摩擦性能的影響。王素華等[3]對目前軸和軸承上的常見表面織構形狀和分布方式進行了總結，推導出帶有織構的滑動軸承理論模型，以此來分析表面織構對滑動軸承潤滑機制的影響。蘇華和余志雄[4]建立溝槽-織構復合型滑動軸承性能數值分析模型,發(fā)現溝槽結構參數對織構型滑動軸承承載能力和摩擦特性存在較大影響。尹明虎等[5]對比分析了圓形、矩形等織構對徑向滑動軸承性能的影響。XIE等[6]建立考慮表面織構的數值模型，研究表面織構部分結構參數對水潤滑軸承性能的影響，并進行相關實驗驗證。

國內外學者系統(tǒng)分析了織構類型、位置等參數對軸承油膜特性的影響，證實了不同的織構參數會對油膜特性有所影響，在表面織構參數選取合理的情況下確實可以改善軸承的潤滑性能。然而表面織構的研究大多集中在普通滑動軸承，對于具備織構的浮環(huán)軸承研究鮮有報道。徐華團隊雖然研究了表面織構對浮環(huán)軸承油膜溫升、環(huán)速比等的影響[7-8]，認為織構能改變環(huán)速比使浮環(huán)能在低主軸轉速下啟動，但他們沒有對螺紋織構深度與浮環(huán)軸承油膜動態(tài)特性的關系進行深入分析。

針對內螺紋織構浮環(huán)軸承，本文作者推導了考慮織構深度的浮環(huán)軸承油膜動力學方程，基于Navier-Stokes方程，建立有、無內螺紋織構以及不同織構深度的浮環(huán)軸承三維流體力學模型，對比分析了織構深度的變化對浮環(huán)軸承油膜壓力、內外承載力、剛度、阻尼等動態(tài)特性的影響，為改善浮環(huán)軸承性能，提高浮環(huán)軸承運行穩(wěn)定性提供理論支撐。

1 考慮表面織構深度的油膜控制方程

浮環(huán)軸承通過位于旋轉軸頸與固定軸承座之間的浮環(huán)把油膜分為內外雙層油膜，在分析時可視為由2套滑動軸承進行分析，其結構如圖1所示。

圖1 浮環(huán)軸承結構剖面

根據滑動軸承潤滑理論，推出浮環(huán)軸承內外層油膜Reynolds方程[9]：

(1)

式中：Uj、Ur分別為兩軸承面在x方向的速度分量,Uj=ωjRj+ωrRr,Ur=ωrRr;hi、ho分別為浮環(huán)軸承內膜厚度和外膜厚度;μi、μo分別為潤滑油內、外油膜動力黏度。

為了簡便起見，以內螺紋織構浮環(huán)軸承為例進行說明，含螺紋織構內油膜厚度表達式為

(2)

式中：hi為內膜光滑區(qū)域厚度；hp為織構深度。

將式(2)代入式(1),可以求得內外油膜壓力pi、po[10-11]為

(3)

油膜承載力w為在潤滑區(qū)域內油膜壓力的積分,可記為

w=?pdxdy

(4)

通過流體潤滑機制對Reynolds方程進行求解可得浮環(huán)軸承內外油膜力Fix、Fiy、Fox、Foy表達式：

(5)

則在微小擾動作用下內外油膜的剛度和阻尼動力特性系數為

(6)

由上述公式推導可知，浮環(huán)油膜厚度是影響油膜特性的重要參數，會影響油膜壓力、承載力以及剛度、阻尼等動態(tài)特性；浮環(huán)軸承表面織構深度的變化會改變油膜織構區(qū)域油膜厚度，進而影響浮環(huán)軸承油膜特性。

2 含內螺紋織構浮環(huán)軸承動力學建模

2.1 模型的建立

以某型汽油機用渦輪增壓器浮環(huán)軸承為研究對象，其部分結構與運行參數如表1所示。

以表1的參數為例構建仿真模型，考慮網格質量以及后期實驗加工便利的問題，螺紋織構牙型角選為梯形，起始角度為90°，螺深hp為10 μm，螺紋上寬度b1為 10 μm，下寬度b2為20 μm，織構區(qū)域所占浮環(huán)軸長比σ=0.25?？棙嫴捎迷诟…h(huán)內壁對稱的形式分布，如圖2所示，軸承內壁兩側織構均勻分布。由于浮環(huán)軸承油膜厚度極薄，為了保證織構對軸承影響的計算結果的精確性，文中采用前處理軟件ICEM進行六面體網格劃分，其厚度方向以及螺紋織構處的網格進行加密處理。

表1 浮環(huán)軸承結構與運行參數

圖2 內油膜織構分布區(qū)域以及織構結構示意

浮環(huán)軸承采用壓力進口、出口的邊界條件，出口壓力設置為0，其余面均設置為壁面，潤滑油牌號選取為SAE 10W-30。

2.2 模型驗證

利用Fluent動網格技術微小擾動法計算油膜的剛度和阻尼系數[12]。為了驗證方法的準確性，與基于有限元法轉子軸承動力學專業(yè)分析軟件DyRoBeS的仿真結果[13]進行對比，利用DyRoBeS軟件的BePerf模塊建立浮環(huán)軸承有限元模型，對比分析轉子在1×103～2.1×105r/min轉速下的內、外油膜剛度計算結果，以內油膜主剛度計算結果為例，如圖3所示。從圖3可以看出，2種方法計算結果的誤差保持在10%之內，表明文中構建的浮環(huán)軸承流體動力學計算模型參數選取合理。

圖3 Fluent動網格與DyRoBeS計算結果對比

3 油膜動態(tài)特性分析

以Fluent流體動力學模型為基礎，分析織構深度對油膜動態(tài)特性的影響。由文獻[5]可知，當織構寬深比過大時，軸承可近似為光滑表面，因此分析理想狀態(tài)下織構深度hp分別為0、6、8、10、12 μm時油膜動態(tài)特性隨著轉速變化的規(guī)律。

3.1 螺紋織構深度對軸承最大壓力與承載力影響

油膜壓力與承載力代表著軸承抵抗變形能力的強弱，與軸承壽命、可靠性相關，故文中首先分析在1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，與無織構軸承相比，織構深度對油膜最大正壓力pmax以及內外油膜承載力Fi、Fo的影響，其結果如圖4所示。

圖4(a)所示為不同織構深度下油膜最大正壓力隨轉速的變化關系?？梢娫黾涌棙嫼?，油膜最大正壓力有所增大；隨著織構深度的增加，最大正壓力先增大再減小，當織構深度hp=8 μm時油膜最大正壓力提升最大，其提升幅度可達13.1%。

圖4(b)(c)所示為不同織構深度下內、外油膜承載力隨轉速變化的關系。油膜承載力隨著織構深度的增加先增大再減??；增加織構后，軸承內油膜承載力皆有所增長，而織構深度增至12 μm時，外油膜承載力反而會降低；織構深度hp=8 μm時，內外油膜承載力均達到最大值，內、外油膜承載力分別最大可提升33.3%、17.0%。

圖4 不同織構深度下油膜最大壓力與內外油膜承載力隨轉速的變化

3.2 螺紋織構深度對軸承剛度和阻尼的影響

油膜的剛度、阻尼是影響轉子-軸承系統(tǒng)臨界轉速、不平衡響應等穩(wěn)定性的主要因素[14]。假定其他參數不變，研究螺紋織構深度對內外油膜剛度和阻尼的影響。由于交叉剛度和阻尼系數隨織構深度的改變可以忽略，故文中只分析織構深度對主剛度和阻尼的影響。

不同織構深度下油膜主剛度隨轉速的變化關系如圖 5所示?？芍?/p>

圖5 不同織構深度下油膜主剛度隨轉速的變化

(1)主剛度系數隨著織構深度的增加呈現先增大后減小的趨勢；在同一轉速下，織構深度在8 μm時，剛度系數達到最大值，這表明在合適的織構深度下，x、y方向的位移擾動油膜分力變化率有所增大；當繼續(xù)增加織構深度到10 μm以上時，其主剛度相對變小，這是由于油膜厚度增加，油膜分力隨位移擾動的變化率減小所致。

(2)隨著轉速的提升，織構對Kixx、Koxx、Kiyy、Koyy的影響越大，當轉速達到1×105r/min以后，不同織構深度下的油膜主剛度變化增大，與無織構相比，其內外油膜剛度Koxx、Kixx、Koyy、Kiyy最大提高幅度分別為14.4%、20.8%、60.1%和60.8%。對y方向的主剛度比對x方向的主剛度提升大，這說明織構對y方向的剛度Kiyy、Koyy影響較大。原因在于織構效應對y方向的油膜分力影響大于x方向，且隨著轉速的增大，油膜厚度減小，油膜最大壓力與承載能力隨之增大，從而提升了軸承剛度[15-16]。

在1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，不同織構深度下油膜主阻尼隨轉速的變化關系如圖6所示。

圖6 不同織構深度下油膜主阻尼隨轉速的變化

由圖6可知：

(1)內外油膜主阻尼隨著不同織構的深度會有所變化，主阻尼隨著織構深度的增加呈現先增大后減小的規(guī)律；當織構深度hp=8 μm時，織構軸承內、外油膜主阻尼系數提升最大。

(2)在所研究的轉速區(qū)間內，其內外油膜Cixx、Ciyy、Coxx、Coyy分別最大可提升11.2%、12.7%、 5.5%和15.6%。這和織構的存在增加了油膜在x和y方向的油膜分力的變化速率有關；但織構深度繼續(xù)增加至10 μm后，反而降低了軸承內外油膜阻尼，從而減小了油膜抵抗軸頸渦動的能力，這與油膜厚度的進一步增加導致承載面積增大有關。

4 結論

(1)螺紋織構影響軸承油膜最大壓力、承載力、剛度和阻尼，以某型渦輪增壓器浮環(huán)軸承為例，在研究的6～12 μm織構深度和1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，隨著織構深度的增加，油膜最大壓力、內外油膜承載力、剛度和阻尼系數先增大后減小，在超過1×105r/min轉速后，織構對油膜動態(tài)特性的影響更明顯。結合油膜各個特性系數隨織構深度的變化趨勢，發(fā)現織構深度為8 μm時油膜承載力、剛度阻尼等動態(tài)特性系數提升最大。

(2)在合適的織構深度下，織構可以改善油膜特性，提升軸承的運轉穩(wěn)定性，延長工作壽命。今后還需進一步考慮不同內螺紋織構參數對油膜特性的影響，以完善內螺紋織構對浮環(huán)軸承油膜特性的影響規(guī)律研究。