軸頸傾斜對水潤滑徑向滑動軸承承載性能的影響

吳 杰

(上海漣屹軸承科技有限公司，上海 200245)

0 引言

徑向滑動軸承的動壓潤滑主要依靠軸瓦與軸頸之間的楔形間隙，利用軸頸與軸瓦之間的相對轉(zhuǎn)動在潤滑介質(zhì)的膜中產(chǎn)生壓力，使軸頸與軸瓦脫離接觸，軸頸與軸瓦之間的摩擦變?yōu)檩S頸與潤滑介質(zhì)之間的摩擦，從而大大減小了軸承摩擦副的摩擦系數(shù)[1]。徑向滑動軸承具有承載能力強(qiáng)、工作運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、能承受較大沖擊載荷等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍較為廣泛[2]。當(dāng)徑向滑動軸承利用水作為潤滑介質(zhì)時，不但具有上述的優(yōu)點(diǎn)，還可以減小對環(huán)境的污染，降低整個推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，所以水潤滑徑向滑動軸承已經(jīng)廣泛應(yīng)用于艉軸承、集成電機(jī)推進(jìn)器等領(lǐng)域[3-4]。

滑動軸承在使用過程中，由于安裝、載荷、沖擊等原因，會使軸頸在軸承內(nèi)產(chǎn)生一定角度的傾斜，使軸頸的軸線與軸承的軸線并不平行，傾斜后的軸頸會對滑動軸承的承載性能產(chǎn)生一定的影響[5-6]。針對這種情況，許多學(xué)者對產(chǎn)生傾斜后滑動軸承的潤滑性能進(jìn)行了研究，F(xiàn)angrui Lv等[5]主要研究了在混合潤滑狀態(tài)下，壁面滑移和軸頸錯位對軸承潤滑性能的影響。Parkash Chandra Mishra[6]利用數(shù)學(xué)模型對軸頸偏斜、內(nèi)徑不規(guī)則等因素對橢圓軸承的潤滑性能、溫升等進(jìn)行了分析。

1 徑向滑動軸承及軸頸傾斜模型

在理想情況下，當(dāng)軸頸靜止時，軸承軸線與軸頸軸線相互平行并且處于一個理想平面內(nèi)，但是在實(shí)際使用時，由于沖擊、振動、安裝誤差等原因，軸頸軸線與軸承軸線并不平行，兩條軸線之間會傾斜一定的角度。本文主要針對軸頸位于理想平面內(nèi)，與軸承軸線發(fā)生傾斜時的情況，傾斜角度為軸頸軸線與軸承軸線之間的夾角，夾角的原點(diǎn)位于軸承的軸向中間截面內(nèi)，徑向滑動軸承及軸頸的傾斜示意圖，如圖1所示。

圖1軸承的長度為L，軸承的內(nèi)徑為D，軸承長度L與軸承內(nèi)徑D的比值為軸承的長徑比，軸頸軸線與軸承軸線的傾斜角度為β，軸承與軸頸之間的潤滑介質(zhì)為水。

軸承半徑與軸頸半徑之間的差值為軸承間隙，軸承圓心與軸頸圓心之間的距離為偏心距，偏心距與軸承間隙之間的比值為軸承的間隙比。

在實(shí)際計(jì)算中使用的軸承內(nèi)徑為350 mm，長徑比分別為2、1.2、0.8，偏心距為0.9，軸承的間隙比為1.5‰，軸頸軸線與軸承軸線之間的傾斜角度取值分別為0°、0.001°、0.002°、0.003°、0.004°。

圖1 徑向滑動軸承及軸頸傾斜示意圖

2 仿真計(jì)算

利用Fluent軟件對水潤滑徑向軸承進(jìn)行仿真計(jì)算，F(xiàn)luent軟件是世界CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件之一，具有廣泛的物理模型，能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行CFD仿真計(jì)算。圖2～4為利用Fluent計(jì)算后，具有不同長徑比的徑向滑動軸承內(nèi)的水膜壓力分布云圖。

圖2 長徑比為2

圖3 長徑比為1.2

圖4 長徑比為0.8

3 結(jié)果分析

3.1 水膜壓力分布

圖5為最大水膜壓力與軸承長徑比、軸頸傾斜角度的變化曲線，從圖5可以看出水膜最大壓力隨著軸承長徑比、軸頸傾斜角度的增大而增大，而且從圖2～4可以看出，軸承的水膜壓力分布的變化，水膜壓力分布逐漸向軸承間隙變小的一端移動。

這是因?yàn)樵谙嗤膬A斜角度下，軸承的長徑比越大，軸承與軸頸之間的最小間隙減小速度越快，不但引起水膜壓力逐漸向間隙減小的一端移動，并且使最大水膜壓力增大的速度加快。當(dāng)軸承長徑比為0.8，傾斜角度為0.002°、0.003°和0.004°時的最大水膜壓力比無傾斜時的最大水膜壓力分別增大了5.71%、12%和18.9%，而當(dāng)長徑比增大到1.2時，相同傾斜角度下最大水膜壓力分別增大了24.2%、37.6%和49.4%。當(dāng)長徑比繼續(xù)增加到2時，最大水膜壓力對軸頸的傾斜角度的變化更加敏感，傾斜角度為0.001°和0.002°時，最大水膜壓力增加了17%和29.2%，繼續(xù)增加傾斜角度到0.003°和0.004°時，此時軸頸與軸承之間的最小間隙僅為幾個微米，最大水膜壓力分別增加了72.1%和635%。

3.2 軸承承載能力

圖6為軸承承載能力與軸承長徑比、軸頸傾斜角度的變化曲線，軸承的承載能力也會隨著軸頸傾斜角度的增大而增大，但是相對于最大水膜壓力的變化，軸承承載能力變化會相對平緩。

軸承長徑比為0.8時，傾斜角度增加到0.003°和0.004°時，相對于無傾斜時的軸承，軸承的承載能力只增大了0.81%和1.10%。當(dāng)軸承長徑比增大到1.2時，軸承承載能力在傾斜角度為0.003°和0.004°時的增大量為3.84%和4.41%。軸承長徑比增大到2時，在相同的傾斜角度下，軸承的承載能力分別增大了6.39%和27.24%，但是此時軸頸與軸承之間的間隙僅為幾個微米，當(dāng)傾斜角度為0.002°時，軸承承載能力僅增大了1.68%。

圖5 最大水膜壓力變化曲線

圖6 軸承承載能力變化曲線

4 結(jié)論

利用CFD仿真軟件對不同長徑比的水潤滑徑向滑動軸承進(jìn)行了計(jì)算，分析了軸頸傾斜角度對軸承承載性能的影響，并對比了不同軸承長徑比情況下，最大水膜壓力和軸承承載能力的變化，并且得出了以下結(jié)論。

1)在軸頸軸線相對軸承軸線發(fā)生傾斜時，軸承的水膜壓力分布會逐漸向軸承間隙變小的一端移動，而且最大水膜壓力會隨著傾斜角度的增大而增大。

2)在傾斜角度相同的情況下，軸承的長徑比越大，最大水膜壓力對傾斜角度的變化越敏感，在傾斜角度為0.003°和0.004°條件下，軸承長徑比為0.8時，最大水膜壓力增大了12%和18.9%，長徑比為1.2時，最大水膜應(yīng)力增大了37.6%和49.4%，當(dāng)長徑比達(dá)到2時，此時軸頸與軸承之間的間隙只有幾微米，最大水膜應(yīng)力增大了72.1%和635%。

3)相對于最大水膜壓力，軸承承載能力的變化要平緩很多，只有當(dāng)軸頸與軸承的間隙減小到只有幾微米時，軸承的承載能力才會發(fā)生大幅度的增加。