高速齒輪箱可傾瓦軸承性能研究

楊林杰 李俞峰 李娜娜 葛世祥 陳俊豪

摘 要：可傾瓦軸承的性能直接決定了高速齒輪箱的振動特性，本文重點研究了轉速高于10 000 r/min的可傾瓦軸承性能的影響因素。轉速升高后，支點偏移系數超過0.6后，對軸承最大油膜壓力、功率損失及剛度阻尼系數的影響明顯加強，結論將為高速齒輪箱設計提供理論依據。

關鍵詞：高轉速;齒輪箱;可傾瓦軸承;支點偏移系數

中圖分類號：TH133.31文獻標識碼：A? ?文章編號：1003-5168（2021）21-0034-03

Study on the Performance of the Tilting Pad Bearing for High Speed Gear Box

YANG Linjie? ? LI Yufeng? ? LI Nana? ? GE Shixiang? ? CHEN Junhao

（Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan. 450052）

Abstract： The vibration characteristics of the high-speed gear box is determined directly by the performance of t tilting pad bearings. This paper focused on the factors which affecting the performance of tilting pad bearings with rotational speed higher than 10 000 r/min. With the increasing of the rotational speed， when the pivot offset coefficient exceeds 0.6， the influence on the maximum film pressure， the stiffness and damping coefficients and the power loss the bearing is obviously strengthened. The conclusions of this article provide a theoretical basis for the design high-speed gear box.

Keywords： high speed; gear box; tilting pad bearing; pivot offset coefficient

對于高速旋轉機械，衡量其性能的主要指標是振動，尤其是轉速較高的情況[1]。目前高速齒輪箱中普遍采用可傾瓦軸承，齒輪箱振動性能的好壞主要決定于其可傾瓦軸承的設計。因此，可傾瓦軸承成為國內外高速齒輪箱的研究熱點[2]。

國外對于可傾瓦軸承的研究最早可以追溯到20世紀，理論上基于Reyonlds方程。針對滑動軸承在工程上的應用問題，Lund[3]提出建立線性油膜力模型，將油膜力視為轉子在平衡點附近位移和速度的線性函數，利用泰勒級數將其展開，當軸心在靜平衡位置附近做小擾動時，基于求解Reyonlds方程得到4個油膜剛度系數和4個油膜阻尼系數來表示軸承動特性。White、Chan[4]與Kyung-Bo Bang[5]等，前者建立了湍流理論，修正了有限元力學模型并解出了針對可傾瓦滑動軸承的剛度及阻尼系數，后者在此基礎上分析了轉速、載荷、潤滑油進油速度對可傾瓦滑動軸承功率損耗的影響。國內相應的研究起步較晚，大部分處于理論研究階段，但總體水平發展較快。

本文以應用為前提，針對高速齒輪箱（轉速高于10 000 r/min）關鍵部件可傾瓦徑向軸承進行研究，通過理論分析與仿真，確定結構參數中的支點偏移系數對可傾瓦軸承工作性能的影響。

1 可傾瓦軸承性能分析的理論基礎

可傾瓦滑動軸承的力學分析一直是高速旋轉設備領域研究的熱點。近年來，學者們對可傾瓦滑動軸承的完整動力學模型進行了全面而深入的理論計算，其基礎為Reynolds方程。本文將利用Reynolds方程，對5塊可傾瓦滑動軸承工作性能進行仿真分析，包括靜態與動態兩個方面。靜態分析關鍵量包括功率損失、最大油膜壓力、最小油膜厚度等。動態性能主要分析了軸承剛度與阻尼系數。

滑動軸承理論分析的基礎是由層流牛頓流體的本構方程和Navier-Stokes方程推導后得到的Reynolds方程：

[??xh312μ?P?x+??zh312μ?p?z=U2?h?x+?h?t]

根據滑動軸承動壓潤滑特點，本文分析時做如下假設：

①潤滑油為不可壓縮流體。

②整個軸承內流動過程為定常層流。

③軸承間隙中的油膜厚度極小，認為在沿油膜厚度方向上無壓力梯度。

2 可傾瓦軸承性能的模擬仿真

2.1 仿真軟件及基礎條件

本文運用DyRoBeS軟件進行數值分析，所建軸承幾何模型如圖1所示，為便于說明，五塊可傾瓦滑動軸承的間隙部分被適當放大。圖中，O、[Oj]、[O1]分別為可傾瓦滑動軸承中心、第j塊瓦塊的圓心及旋轉軸中心，[ βO]為瓦塊的包角，[ θj]為每個瓦塊的支點位置角，R為轉軸半徑，[Rp]為瓦塊內表面半徑，[Rb]為軸承半徑。其他所需參數為：軸承直徑D=40 mm，軸瓦寬度B=18 mm，瓦塊中心角51.6°，預載荷系數為0.3，軸承載荷為339.373 N，潤滑油選擇VG-46。