多類型滑動(dòng)軸承性能對(duì)比分析及其油膜溫度試驗(yàn)研究*

王曉紅，常 山，陳 濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

船舶傳動(dòng)裝置傳動(dòng)形式多樣，運(yùn)行工況較多[1]；同時(shí)，傳動(dòng)裝置中軸的轉(zhuǎn)速與功率變化范圍較寬，導(dǎo)致載荷的大小與方向多變。因此，傳動(dòng)裝置中同一軸承均需滿足多種承載要求。另外，同一傳動(dòng)裝置的齒輪軸轉(zhuǎn)速與扭矩差別較大，支承齒輪軸的軸承可能存在低速重載或高速輕載的使用條件，使得其軸承的類型也多種多樣。

常用的船舶傳動(dòng)裝置軸承類型有圓柱形、橢圓、可傾瓦[2]等，每類軸承適應(yīng)的轉(zhuǎn)速和載荷范圍不同。Kingsbury、John Crane等國外知名軸承公司樣本中，給出不同軸承類型推薦的應(yīng)用轉(zhuǎn)速、比壓及穩(wěn)定性排序等。ISO標(biāo)準(zhǔn)[3]、國標(biāo)[4]則給出了軸承最小油膜厚度及巴氏合金材料最高溫度限定條件。

但具體工程應(yīng)用選型時(shí)還會(huì)面臨一些問題，各類型軸承推薦的應(yīng)用范圍多有交叉，關(guān)于軸承運(yùn)行溫度等性能沒有翔實(shí)的對(duì)比數(shù)據(jù)。

對(duì)于各類型軸承之間的對(duì)比，不同學(xué)者做過許多研究工作[5-9]，但大多研究僅限于理論研究，而對(duì)于船舶傳動(dòng)裝置多種類型軸承對(duì)比方面的研究，乃至試驗(yàn)研究驗(yàn)證的則很少。

本文從船舶傳動(dòng)裝置應(yīng)用特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)軸承類型多樣、軸承轉(zhuǎn)速及載荷跨度大的應(yīng)用情況，對(duì)比分析常用的圓柱形軸承、橢圓軸承及可傾瓦軸承性能，研究不同類型軸承在船用轉(zhuǎn)速和載荷條件下性能的變化規(guī)律，并對(duì)幾種類型軸承溫度場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究，為船舶傳動(dòng)裝置軸承類型選取提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 滑動(dòng)軸承幾何關(guān)系

此處以三油葉軸承為例，筆者介紹軸承參數(shù)的關(guān)系(可以拓展到所有軸承幾何關(guān)系)。

軸承的幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 軸承幾何關(guān)系Ob，Rb—軸承中心，軸承裝配半徑，m；OP，RP—軸瓦中心，軸承加工半徑，m；Oj，Rj—軸中心，軸半徑，m；θL，θT—軸瓦起始、終止角，°；θp—支撐角，°

由圖1的幾何參數(shù)可以得出軸承的主要參數(shù)如下：

Cb=Rb-Rj

(1)

Cp=Rp-Rj

(2)

(3)

f=(θp-θL)/(θT-θL)

(4)

式中：Cb—軸承裝配間隙，m；Cp—軸承加工間隙，m；m—軸承預(yù)負(fù)荷；f—支撐特性參數(shù)。

對(duì)于圓柱形軸承，Ob，Op重合，Rp=Rb；

對(duì)于橢圓軸承，Ob，Op不重合，Rp>Rb；對(duì)于可傾瓦軸承，常用3個(gè)～5個(gè)油葉，Ob，Op可重合，也可不重合，Rp≥Rb，并增加擺角自由度。

1.2 基本方程

筆者根據(jù)幾何關(guān)系，建立軸承油膜厚度的關(guān)系式后，計(jì)算滑動(dòng)軸承性能。該過程主要求解以下方程：

(1)雷諾方程：

(5)

式中：p—油膜壓力，Pa；h—油膜厚度，m；μ—潤滑油動(dòng)力粘度，Pa·s；Rx,Rz—紊流因子；U—軸的旋轉(zhuǎn)速度，m/s；t—時(shí)間，s；x，z—周向、軸向坐標(biāo)。

(2)能量方程：

(6)

式中：ρ—滑油密度，kg/m3；Cp—比熱容，J/(kg·℃)；k—潤滑油傳導(dǎo)系數(shù)；qx，qz—周向，軸向單位體積流量，m3/h；T—油膜溫度，℃；τ—剪切應(yīng)力，Pa。

其中：

(7)

(8)

(9)

式中：Cf—紊流因子，層流時(shí)為1；紊流時(shí)由下式確定：

Cf=1+0.001 2Re0.94

(10)

式中：Re—雷諾數(shù)。

(3)溫粘關(guān)系：

loglog(v+C)=A-Blog(T)

(11)

μ=ρv

(12)

式中：v—運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；A，B—用已知溫度點(diǎn)下的粘度進(jìn)行求解；C—在運(yùn)動(dòng)粘度小于2.0 cSt時(shí)，取0.7。

(4)承載能力：

(13)

式中：Fx，F(xiàn)y—x，y方向載荷，N；L—軸承寬度，m。

(5)動(dòng)態(tài)性能：

在靜平衡位置處，微小擾動(dòng)下，力平衡方程為：

(14)

式中：Fx0，F(xiàn)y0—靜平衡位置x，y方向靜態(tài)載荷，N;K—軸承剛度，N/mm；C—軸承阻尼，N·s/mm。

1.3 邊界條件與求解方法

此處的壓力分布采用雷諾壓力邊界條件，即結(jié)構(gòu)邊界條件：

(15)

θ=θLp=p0

(16)

自然邊界條件為：

(17)

能量方程的邊界條件為：潤滑劑入口處溫度為供油溫度，求解時(shí)以此作為初值，應(yīng)用步進(jìn)方法求解溫度場(chǎng)；入油邊考慮冷熱油混合作用。

此處采用有限差分方法，聯(lián)立求解雷諾方程、能量方程與溫粘方程，求得壓力分布與溫度分布，進(jìn)而求解軸承的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

2 算例及計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)各類型軸承性能影響

為了研究轉(zhuǎn)速單一因素對(duì)性能的影響，本文選定軸承參數(shù)：直徑200 mm，寬徑比1，間隙比為0.002，橢圓軸承m=0.5，可傾瓦軸承m=0.5，比壓2 MPa，轉(zhuǎn)速范圍涵蓋船舶傳動(dòng)裝置大部分轉(zhuǎn)速范圍。

最高溫度對(duì)比如圖2所示。

圖2 最高溫度對(duì)比

承載能力對(duì)比如圖3所示。

圖3 承載能力對(duì)比

功耗對(duì)比如圖4所示。

圖4 功耗對(duì)比

流量對(duì)比如圖5所示。

圖5 流量對(duì)比

根據(jù)以上的對(duì)比圖可知，轉(zhuǎn)速對(duì)各類型軸承靜態(tài)性能影響情況如下：圓柱形軸承最高油膜溫度比其他類型軸承更高，尤其在高轉(zhuǎn)速時(shí)更加明顯，圓柱形軸承比橢圓軸承最高溫度高出19 ℃，圓柱形軸承承載能力最大，功耗、流量也更小；

另外，由于可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)的特殊性，可以通過單獨(dú)供油降溫的方式，并由圖2可知，單獨(dú)供油的可傾瓦軸承可以獲得更低的溫度。

動(dòng)態(tài)性能對(duì)比如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)性能對(duì)比C—圓柱形軸承；E—橢圓軸承；T—可傾瓦軸承

以上對(duì)比情況可知，轉(zhuǎn)速對(duì)各類型軸承剛度和阻尼的影響為：受力方向的主剛度Kxx，圓柱形軸承略低于其他類型軸承，但均在同一數(shù)量級(jí)，高速時(shí)圓柱形軸承主剛度有下降趨勢(shì)，而橢圓及可傾瓦軸承沒有明顯的下降趨勢(shì)。

值得注意的是，四瓦可傾瓦軸承交叉剛度為0，交叉剛度存在是滑動(dòng)軸承失穩(wěn)的重要原因，同時(shí)，可傾瓦軸承瓦塊可以擺動(dòng)以適應(yīng)外部激勵(lì)變化，因此，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型軸承，橢圓軸承穩(wěn)定性優(yōu)于圓柱形軸承。

另外，圓柱形軸承與橢圓軸承非受力方向的主剛度Kyy明顯低于受力方向主剛度Kxx，但可傾瓦軸承卻相同；圓柱形軸承的阻尼略高于其他類型軸承，轉(zhuǎn)速越高相差越小，隨轉(zhuǎn)速增加，圓柱形軸承阻尼減小明顯。

2.2 載荷對(duì)各類型軸承性能影響

為了研究載荷單一因素對(duì)性能的影響，此處選定軸承參數(shù)為：直徑200 mm，寬徑比1，間隙比為0.002，橢圓軸承m=0.5，四瓦可傾瓦軸承m=0.5，轉(zhuǎn)速4 000 r/min；比壓選取涵蓋船舶傳動(dòng)裝置滑動(dòng)軸承大部分載荷范圍。

最高溫度對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 最高溫度對(duì)比

承載能力對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 承載能力對(duì)比

功耗對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 功耗對(duì)比

流量對(duì)比如圖10所示。

圖10 流量對(duì)比

載荷對(duì)各類型軸承靜態(tài)性能影響：在各個(gè)比壓范圍內(nèi)，圓柱形軸承最高溫度均高于其他類型軸承，最高溫度高出其他軸承13 ℃左右，并且該數(shù)值基本變化不大，圓柱形軸承承載能力最高，在功耗方面，圓柱形軸承優(yōu)于橢圓軸承，橢圓軸承優(yōu)于可傾瓦軸承，并且在各個(gè)比壓范圍趨勢(shì)比較一致，橢圓軸承流量最大，圓柱形軸承與橢圓軸承隨著比壓的增大，流量緩慢增加，但可傾瓦軸承流量有所下降。

動(dòng)態(tài)性能對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖11 動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

轉(zhuǎn)速一定下，3種軸承載荷方向主剛度比較接近，隨著比壓增大，各軸承剛度值增加明顯，圓柱形軸承與橢圓軸承Kyy明顯地低于Kxx，可傾瓦軸承兩個(gè)方向主剛度一致，四瓦可傾瓦交叉剛度為0，穩(wěn)定性最好，圓柱形軸承的阻尼最大，尤其隨著比壓增大，趨勢(shì)越明顯。圓柱形軸承與橢圓軸承Cyy明顯地低于Cxx，可傾瓦軸承則相同，隨著比壓增大，圓柱形軸承與橢圓軸承阻尼增加明顯，而可傾瓦軸承阻尼變化不大。

3 溫度場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)裝置

本文分別通過試驗(yàn)方式，分析轉(zhuǎn)速對(duì)上述3種類型軸承溫度場(chǎng)的影響。

其中，軸承直徑200 mm，寬度200 mm，間隙比0.002，軸承載荷17 000 N。

試驗(yàn)臺(tái)的布置圖如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)臺(tái)布置圖

在倒置式試驗(yàn)臺(tái)上，筆者進(jìn)行軸承油膜溫度試驗(yàn)。其中，液壓加載通過試驗(yàn)軸承座作用到試驗(yàn)軸承上，調(diào)節(jié)液壓缸的供油壓力可以改變軸承的載荷，這樣試驗(yàn)過程中軸承上瓦受力，電機(jī)通過增速箱改變?cè)囼?yàn)軸的轉(zhuǎn)速，可以滿足試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速的要求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

軸承的油膜溫度測(cè)點(diǎn)布置于其上部軸承承載區(qū)，一共布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，來測(cè)定軸承油膜的最高溫度。

試驗(yàn)軸承測(cè)點(diǎn)測(cè)得的溫度如表1所示。

表1 試驗(yàn)軸承測(cè)點(diǎn)溫度

由表1可知：圓柱形軸承油膜溫度高于橢圓軸承和可傾瓦軸承，并隨著轉(zhuǎn)速的增高，差距變得更大，最大可以達(dá)21.3 ℃。

以上這個(gè)趨勢(shì)與上述的理論計(jì)算結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

本文分別計(jì)算和分析了轉(zhuǎn)速及載荷對(duì)各類型船用軸承性能的影響，并通過試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速對(duì)不同類型軸承油膜溫度的影響。

研究結(jié)果表明：

(1)圓柱形軸承最高油膜溫度高于其他兩種類型軸承，差距隨轉(zhuǎn)速升高而增大，在轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min時(shí)，各類型試驗(yàn)軸承的最高油膜溫度相差達(dá)21.3 ℃；

(2)圓柱形軸承承載能力較其他類型明顯高，功耗與流量也優(yōu)于其他類型軸承；

(3)各類型軸承主剛度隨載荷變化明顯，隨著轉(zhuǎn)速變化量較小，其中，圓柱形軸承交叉剛度較大，可傾瓦軸承交叉剛度最小。

因此，在船舶傳動(dòng)裝置軸承選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇圓柱形軸承；只有當(dāng)轉(zhuǎn)速過高，圓柱形軸承溫度過高和存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，才應(yīng)該結(jié)合轉(zhuǎn)子計(jì)算結(jié)果，選擇其他類型的軸承。