斜面推力滑動軸承的數值研究

劉俊 ,安琦 ,高磊

(1.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237；2.上海電機學院，上海 200240)

流體動壓推力滑動軸承是依靠在相對運動的表面間所形成的油膜壓力來承載的一種關鍵基礎部件，對設備的正常運行起著至關重要的作用，具有摩擦功耗小，承載能力大，運轉平穩等優點，廣泛應用在水利、電力、機械及化工等工業領域中[1]。以我國三峽工程為例，在其大型水輪發電機組中，推力滑動軸承是最重要的組成部分之一，其設計是否合理將直接影響水輪發電機組的可靠運行[2]。隨著推力滑動軸承在高速、重載和高精度等重要場合應用范圍的加大，迫切需要更加深入地研究其性能。

下文針對斜面推力滑動軸承，建立在圓柱坐標下用有限差分法求解流量的平衡方程，推導出無量綱壓力分布的計算方法，進而得到斜面推力滑動軸承承載能力、發熱量、泄油量和溫升的計算式，研究幾何結構參數對軸承性能的影響規律，獲得結構參數的最佳取值。

1 力學模型

圖1 斜面推力滑動軸承結構示意圖

對斜面推力滑動軸承二維Reynolds方程[4]進行無量綱化，得

(1)

用差分法求解壓力分布，將一塊軸瓦的油膜劃分為許多網格，用各個節點上的壓力值構成各階差商，近似取代Reynolds方程中的導數，將方程化為一組代數方程，由此解出各節點上的壓力值，所得出的一組離散的壓力數值近似地表達了油膜中的壓力分布。先對求解區域內各節點的壓力賦初值為零，然后采用逐點松弛迭代法便可求解各節點的無量綱壓力值Pi,j，針對整體斜面推力滑動軸承，推導軸承各項性能的無量綱計算式。

根據求解得出的油膜壓力分布和作用區域，由軸承工作表面各微元面積乘以對應的油膜壓力，采用扇形積分公式，便可以求得油膜承載力Wload[5]，即

(2)

推力滑動軸承沿圓周方向的總摩擦力為

(3)

由(3)式可以推出每個網格上離散的摩擦力為

(4)

單位時間內軸承的發熱量，針對每個網格為網格的速度點乘對應的摩擦力，此時摩擦力的方向與速度方向在同一條直線上。

(5)

泄油量為

Qout=Qr1+QR=

(6)

根據軸承中產生的熱量與散熱相等的條件，熱平衡方程為

Wheat=CρQoutΔT，

(7)

由此可得到溫升的表達式為

(8)

2 性能分析

運用所編制的Matlab計算程序，分析了瓦高比h2/h1、長寬比l/b和瓦塊數nz等結構參數對軸承性能的影響[6]。

2.1 瓦高比h2/h1對軸承性能的影響

計算條件：nz=12;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。變化曲線如圖2～圖5所示，承載能力隨瓦高比的增加先增大后減小，即存在一個最優瓦高比(1.3左右)；長寬比對最優瓦高比幾乎沒有影響。當瓦高比很小時，泄油量很小，發熱量較大，所以此時溫升很大。溫升隨瓦高比的增加先急劇下降，在瓦高比達到1以后，下降的趨勢趨于平緩，此外隨瓦高比的增加，發熱量減小和總泄油量增加。因此最優瓦高比h2/h1應為1.3。

圖2 h2/h1對承載能力的影響

圖4 h2/h1對泄油量的影響

圖5 h2/h1對溫升的影響

2.2 長寬比l/b對軸承性能的影響

計算條件：h2/h1=1.3;nz=6,12,18,24。如圖6～圖9所示，隨長寬比的增加，承載能力和發熱量均增加，但長寬比增加到1.5以后，承載能力和發熱量的變化都趨于平緩，故長寬比不應該超過1.5；而泄油量隨長寬比的增加先增加后減小，在0.8附近達到最大值，且隨瓦塊數的增加而增加，增加的幅度愈來愈小。綜合考慮承載能力和溫升的影響，長寬比選1比較合適，軸瓦稍多時，應適當增大長寬比的取值。

圖6 l/b對承載能力的影響

圖7 l/b對發熱量的影響

圖8 l/b對泄油量的影響

圖9 l/b對溫升的影響

2.3 瓦塊數nz對軸承性能的影響

計算條件：h2/h1=1.3;l/b=1.0，1.2，1.4，1.6。如圖10～圖13所示，隨瓦塊數的增加承載能力、發熱量和溫升均減小，只有泄油量增大，且在nz>20后承載能力和溫升的減小都趨于平緩。由此可知，nz的取值不能大于20，否則不僅對軸承的使用性能影響不大，而且還增大了制造難度，增加了制造成本。

圖10 nz對承載能力的影響

圖11 nz對發熱量的影響

圖12 nz對泄油量的影響

圖13 nz對溫升的影響

3 結論

(1)承載能力隨h2/h1的增加先增大后減小，在h2/h1=1.3時承載能力最大，且這一最佳值受l/b與nz的影響很小。

(2) 隨著l/b的增加，推力軸承的承載能力和溫升也隨之增大，綜合考慮承載能力和溫升的影響，選擇l/b為1較合適。

(3)nz愈多，溫升愈小，但此時軸承的承載能力也會降低，故應在考慮軸承實際尺寸范圍，并保證l/b接近1的情況下，選擇合適的瓦塊數，且nz的取值不能大于20。