面支承扇形可傾瓦推力軸承特性

李永海 郭曉東 孫向志 汪雷 趙鴻博 龔玉平 武鼎超

摘 要：以面中心支承可傾瓦推力軸承為研究對象，通過有限元分析得到其主要潤滑參數。并將分析結果與同工況下點支承推力軸承的潤滑性能比較，得到面支承推力軸承的一般結論：面支承推力軸承潤滑特性符合潤滑理論的一般規律;在低載荷工況下，面支承推力軸承與點支承推力軸承的潤滑特性基本相同;面支承的最佳支點位置沿徑向、向外徑邊偏移5%左右;同一工況下，當軸瓦尺寸一定時，面支承推力軸承潤滑性能會隨著支承面尺寸的增加而下降。

關鍵詞：推力軸承;面支承;性能對比;有限元分析

DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.006

中圖分類號： TH133.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）01-0036-07

Abstract：In surface center supported thrust bearing as the research object， get the main lubrication parameters of surface supported thrust bearing by finite element analysisThe general conclusions of the surface supported thrust bearings are obtained by comparing the calculated results with those of the point supported thrust bearings at the same working conditions： the lubrication characteristics of the surface supporting thrust bearings accord with the general rule of lubrication theory; Under the low load conditions ，the lubrication characteristics of the surface supporting thrust bearings and the point supported thrust bearings are basically same; the optimum fulcrum position of the surface supported thrust bearing is offset about 5% along the radial and outer diameter side; the thrust bearing dimension is constant， the lubrication performance of the surface supporting thrust bearings will degrade with the increase of the supporting surface dimension at the same working conditions-

Keywords：surface support; fulcrum position; performance comparison;finite element analysis

0 引 言

滑動推力軸承廣泛應用于水輪發電機組，汽輪發電機組和船用傳動裝置等大型裝置中[1]。作為其核心部件，滑動軸承起到軸向固定作用，同時也承擔軸向載荷。為了滿足不同的工況要求，推力軸承可采用不同的支承方式，其潤滑性能也不盡相同。

國內外諸多學者對推力軸承性能進行了廣泛研究：Lu等 [2]研究了不同支承的軸承對水利發電機組性能的影響。Wasilczuk[3]分析了大型可傾瓦推力軸承的潤滑與摩擦性能。Galvo等 [4]研究了動壓推力軸承支點位置對推力軸承的潤滑性能的影響。Brown等[5]建立了大型彈簧支承推力軸承油膜潤滑的迭代求解方法并采用有限元分析方法進行了動、靜壓軸承潤滑特性。李忠等[6]研究了各種刮瓦形式和支承線的傾斜度對推力軸承潤滑性能的影響。吳鵬等[7] 對小彈簧多點支承推力軸承的基本特性和結構特點進行了分析并得到了小彈簧多點支承推力軸承的優點。程云山[8]分析了使用彈性盤支承推力軸承的水輪機發生燒瓦的原因，并提出了改進意見。廖燕華等[9]對蝶形彈簧及其支承結構、力學特性和蝶形彈簧支承的優點進行了分析，分析結果表明，蝶形彈簧支承型式具有承載能力高，緩沖吸震能力強、安裝精度要求低等優點。吳超等[10]研究了不同支承方式和油膜間隙對推力軸承性能的影響。吳兵等[11]設計、制造了一種新型推力軸承試驗臺，并在不同工況下對線支承可傾瓦推力軸承的動、靜特性進行了試驗研究。許多學者對不同支承形式下軸承的潤滑性能進行了大量研究[12-15]。而對于面支承推力軸承潤滑性能的研究則很少。本文以面支承扇形可傾瓦推力軸承作為研究對象，分析其潤滑特性。

1 數學模型

以某艦艇的面中心支承可傾瓦推力軸承為研究對象，其支承面是窄矩形平面，結構如圖1所示。矩形面的基本尺寸：長度為a;寬度為R3-R4;高度為h;矩形面徑向支承中心為R0=R3+R42;軸瓦張角為θ。將支承面長度與軸瓦長度的比值定義為支承面相對長度。

點支承[16]或者線支承軸瓦結構，支承處作用面積很小，單位面積作用力很大，會使支承處產生變形。實踐證明，對于點支承或者線支承軸瓦在長期運行后支承處產生較大的塑性變形，使軸瓦結構偏離原始設計參數，甚至發生燒瓦事故。而面支承推力軸承，由于其受力處是一個平面，使其接觸應力變小，接觸變形減小，不會產生塑性變形，使軸瓦高度方向上的尺寸精度能夠長期保持，軸承的使用壽命延長。但同時也限制了軸瓦的自由擺動，特別是徑向擺動。

1-1 雷諾方程

用有限元法解雷諾方程[17-18]，計算瓦面油膜壓力的分布。適當簡化得到推力軸承的雷諾控制方程：

1-3 粘溫方程

潤滑油的粘性系數μ與溫度T的關系是隨潤滑油的不同牌號而異，可根據實測的N個不同溫度所對應的μ值，即黏度-溫度關系曲線由拉格朗日插值公式給出粘溫方程：

2 面支承推力軸承性能計算

2-1 計算程序

以單個扇形瓦面為求解區域，采用有限元求解法編制計算程序;利用計算程序，并根據固定的網格劃分順序算得對應節點上的油膜壓力、油膜溫度、油膜厚度和其他的主要潤滑參數。節點劃分如圖3所示。

在相同工況下分別計算中心點支承[19-20]與中心面支承扇形可傾瓦推力軸承的潤滑參數，并進行對比分析，得到中心面支承扇形可傾瓦推力軸承的一般特性。

2-2 求解過程

由計算程序對方程組（5）進行求解。首先給定一個初始軸瓦變形值，通過迭代計算得到軸承油膜厚度、壓力和溫度分布場。再由得到的油膜壓力和溫度場參數，利用ANSYS計算瓦塊變形值，將新變形值帶入方程組再進行迭代計算，再次得到油膜壓力和溫度場;如此反復計算，直至最小油膜厚度值和瓦塊的變形值收斂。

3 算 例

3-1 中心面支承扇形可傾瓦推力軸承性能分析

扇形瓦基本參數：軸瓦外徑：D1=744（mm），軸瓦外徑D2=508-0（mm），軸瓦張角Q=24-0（°），瓦塊數Z=10-0。總載荷W=50（kN），轉速N=297（r/min），油槽溫度T0=33-0（℃），支承中心極坐標支承Rp=313（mm），Qp=12（°），軸瓦厚度HB=40-0（mm），長寬比L/B=1-102，軸瓦面積A=154-7（cm2），控制字LW=0（不計慣性力），潤滑油牌號Lubricant=VG-46，潤滑油密度PL= 0-90（g/cm3），潤滑油比熱Cp= 0-46（kCal/kg·℃），分布圓直徑D0=626（mm）（幾何中心）。支承面長度為10-8（mm）;支承面寬度為67（mm）;支承面高度為2-18（mm）。

在以下各圖中，X方向從左到右依次為出油邊到進油邊，Y方向為從后到前依次為外徑邊到內徑邊，Z方向表示參數值。

推力軸承的潤滑性能也取決于油膜溫度分布，溫度場是能夠直接反應軸承潤滑情況的核心參數之一。鏡板與軸瓦對油膜剪切產生溫度場，油膜溫度決定著軸瓦能否穩定運行。最高油膜溫度越低，越有利于軸瓦穩定運行。從圖6中可以看出油膜溫度從出油邊到進油邊逐漸變小，最高溫度出現在出油邊靠近外徑邊處，最低溫度則出現在進油邊靠近內徑邊處。

上述結論均符合潤滑理論的一般規律。

3-2 兩種支承型式的對比

保持扇形瓦推力軸承基本參數不變，并在相同工況下計算點支承與面支承扇形可傾瓦推力軸承主要性能參數，并進行對比分析，由于篇幅所限，只給出部分數據。其性能參數對比如表1所示。

由表1中的數據可知，當比壓較小時，面支承扇形可傾瓦推力軸承的最小油膜厚度、最大油膜壓力和最高油膜溫度與點支承可傾瓦推力軸承基本相同。隨著比壓逐漸增大，點支承可傾瓦推力軸承的最小油膜厚度大于面支承可傾瓦推力軸承;最高油膜溫度低于面支承可傾瓦推力軸承，這種潤滑特性的變化規律隨著比壓值的增大而越發明顯，這表明點支承可傾瓦推力軸承在高比壓下的潤滑性能要優于面支承可傾瓦推力軸承。

3-3 不同偏心率的面支承軸承性能比較

保持面支承扇形可傾瓦推力軸承的結構參數不變，改變面支承中心點的徑向位置，在相同工況下，比較不同偏心率面支承扇形可傾瓦推力軸承的最小油膜厚度、最大油膜壓力和最高瓦面油膜溫度等主要性能指標，參數如表2。

由表2可知，隨著偏心率的增加，軸瓦的最小油膜厚度先升后降（從80-2μm上升到99-2μm然后下降到88-2μm），并在偏心率為5%左右時，最小油膜厚度達到最大值;軸瓦的徑向傾角從0-167×10-2rad減小到-0-109×10-3rad，變化較大，而周向傾角逐漸增大，但變動量較小。油膜壓力在前期基本保持不變，但在偏心率15%的時候明顯下降。最高油膜溫度先小后大，在偏心率5%左右時最小。入油邊流量從3-51L/min上升到6-69L/min，流量大約增加了90%。單瓦功率損失則逐漸減小，從1-26kW一直下降到0-92kW。最小油膜厚度隨偏心率的變化如圖7所示。

3-4 支承面相對長度的變化對軸承性能的影響

當扇形可傾瓦推力軸承采用面支承時，由于徑向方向上擺動很小，故只分析軸瓦周向擺動。在工況和軸瓦主要結構參數保持不變的條件下，通過改變支承面的相對長度，分析軸瓦的潤滑性能參數。結果如表3所示。

由表3可知，當軸承處于穩定運行時，隨著支承面相對長度的增加，最小油膜厚度從96-2μm下降到71-2μm，同時整個油膜的平均厚度也從104-4μm下降到83-9μm;最大油膜壓力則從0-72MPa，大約下降了4%左右，降到0-69MPa，平均油膜壓力基本保持不變;最高油膜溫度則逐漸上升，從43-0℃上升到45-6℃;單瓦功耗增加、流量減少。最小油膜厚度、最大油膜壓力和最高油膜溫度是影響推力軸承性能主要參數。從圖8中可以清晰的看到最小油膜厚度隨著支承面相對長度的增大而減小。

5 結 論

面支承扇形可傾瓦推力軸承加工工藝性好，精度保持性好，易于保證各軸瓦高度相同。通過大量數據的對比、分析，可以得到中心面支承扇形可傾瓦推力軸承潤滑特性的一般結論：

1）面支承扇形可傾瓦推力軸承潤滑特性符合潤滑理論的一般規律。

2）在低載荷工況下，面支承扇形可傾瓦推力軸承與點支承扇形可傾瓦推力軸承的潤滑特性基本相同。

3）在低比壓、低轉速下，中心面支承的最佳支點位置在沿徑向、向外徑邊偏移5%左右。

4）在同一工況下，當軸瓦尺寸一定時，面支承扇形可傾瓦推力軸承潤滑性能會隨著支承面尺寸的增加而下降。

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（編輯：王 萍）