彈性變形對可傾瓦軸承性能的影響

曹寒，楊培平，郭勇

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

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彈性變形對可傾瓦軸承性能的影響

曹寒，楊培平，郭勇

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

摘要：文章采用FORTRAN語言和有限元商用軟件ANSYS混合編程的方法分析了支撐體和瓦塊的雙重彈性變形對可傾瓦軸承性能的影響。計算結果表明：在考慮支撐體和瓦塊同時變形的情況下，進油量、摩擦系數和最小油膜厚度增加。

關鍵詞：彈性變形，可傾瓦軸承，性能影響

1　概述

可傾瓦軸承具有摩擦功耗小，制造、安裝及性能受軸頸幾何形狀影響小，并可隨載荷變化自動調整其狀態等優點，具有優良的穩定性，因而被廣泛應用于回轉機械中。但其也有缺點，其中之一就是由于支撐體和瓦塊的彈性，促使在油膜和基座之間多了1個彈性體，減小了可傾瓦軸承的剛度和阻尼，降低了臨界轉速并且使振動加強。在目前對可傾瓦軸承的研究中，瓦塊表面的油膜壓力一般利用有限差分法進行計算。這種方法在求解雷諾方程時，具有編程簡單，求解速度快等優點，但對于瓦塊的網格劃分要求很高，必須是結構網格，這樣一般考慮變形時為了計算方便只考慮瓦塊的變形，而將支點結構視為剛體。本文中利用FORTRAN語言所編寫的有限差分法進行雷諾方程和能量方程的求解，而利用ANSYS APDL進行變形求解，這樣就可以將支點結構和瓦塊一起進行變形求解。相比于傳統的手動編程求解方法，這種求解方式充分利用了2種方法的優勢，節約了編程開發時間，并提高了計算精度，并且可以拓展在工程中流體、熱和彈性力學耦合的范圍。本文以球支撐的可傾瓦軸承為例，結構見圖1，將瓦塊和支點的彈性變形進行綜合考慮，通過計算，得出了球形支點與瓦塊的彈性變形對軸承性能的影響。

圖1　球支點結構

2　基本潤滑方程

2.1油膜厚度方程

無量綱油膜厚度方程見式（1）。

式中：H0為不考慮瓦塊和支點彈性變形時的油膜厚度；π（φI，λ）為油膜壓力引起的瓦塊內表面徑向位移（其中包括支點的位移）。

2.2雷諾方程

假設潤滑油為不可壓縮牛頓流體、穩態層流流動且無滑移，其徹體力和慣性力忽略不計，沿膜厚方向恒壓恒溫，則油膜壓力分布可由無量綱雷諾方程表示為式（2）：

式中：

H—無量綱油膜厚度；

θ—周向坐標；

ξ—軸向坐標；

D—剛度直徑，m；

L—油膜長度，m。

對于雷諾方程的數值解法，采用有限差分法，就是將一塊軸瓦的油膜劃分為規則網格，用節點壓力值的各階差商近似取代雷諾方程中的導數，將方程化為一組代數方程，由此解出各節點上的壓力值。根據這組壓力值，再利用相應的數值積分，即可求得阻力、流量、摩擦系數等性能參數。

3　計算方案

由于商用有限元軟件ANSYS易于建模，且對于靜力變形問題處理準確性的要求，因此采用了ANSYS二次開發與自己開發編制的FORTRAN程序進行混合編程來進行數值模擬計算，具體過程見圖2。

圖2　計算流程圖

通過ANSYS二次開發，將瓦面壓力作為輸入量施加到瓦塊上，具體分布見圖3。

圖3　分布壓力施加到瓦塊上

通過計算可以得到軸瓦的變形量π（）φI，λ，將變形量施加到油膜厚度上，得到新的油膜分布再進行計算，直到滿足迭代精度為止。瓦塊變形量見圖4。

圖4　油膜壓力下的瓦塊變形

4　計算結果及分析

以球支點可傾瓦軸承為研究對象，其具體參數見表1。

表1　軸瓦參數及工況

4.1瓦塊和支點變形對無量綱進油量的影響

由圖5可以看出，由于瓦塊和支點變形后，瓦塊和軸間隙增大，所以考慮變形后的進油量比不考慮變形的進油量要大。

圖5　進油量隨載荷變化圖

4.2瓦塊和支點變形對無量綱摩擦系數的影響

由圖6可以看出，由于摩擦阻力主要由粘性剪應力的積分所求得，而隨著進油量的增多，務必導致摩擦阻力的增大，從而摩擦系數也相應增大。

圖6　摩擦系數隨載荷變化圖

4.3瓦塊和支點變形對無量綱最小油膜厚度的影響

如圖7所示，隨著載荷的增加，最小油膜厚度都在減小，且考慮變形后的最小油膜厚度比不考慮變形的最小油膜厚度要大。

圖7　最小油膜厚度隨載荷變化圖

5　結論

（1）支點和瓦塊的彈性變形對可傾瓦軸承的性能影響較大，這種影響表現為：相同的承載力下使進油量、摩擦系數和最小油膜厚度增大；

（2）利用ANSYS與FORTRAN混合編程的方法，可以充分考慮更多結構件的變形對軸承性能的影響，并且建模簡單，運算速度快，精度高；

（3）在高速或重載的工況下，需要考慮支點和瓦塊的彈性變形對可傾瓦軸承的影響，合理選擇支點尺寸，以便符合設計要求。

參考文獻

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Influence of Flexible Deformation for Performance of Tilting-pad Bearing

Cao Han，Yang Peiping，Guo Yong
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The thesis analyzed the influence imposed on the tilting-pad bearing’s performance of flexible deformation of pad support and pad by adopting FORTRAN language and finite element commercial software ANSYS mixed programming method.The research result showed that the oil inlet volume，friction coefficient and minimum oil film thickness were increased when the deformation of pad support and pad were considered at the same time.

Key words:flexible deformation，tilting-pad bearing，influence of performance

中圖分類號：TK262

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）02-0008-03

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.02.002

作者簡介：曹寒（1985-），女，工學碩士，工程師，2009年畢業于西安交通大學機械設計與制造專業，現主要從事汽輪機設計工作。