壁面滑移速度對滑動軸承性能的影響分析

葉君香，許永利，郭中外，沈衛英

1.浙江警官職業學院安全防范系，浙江杭州 310018；2.浙江申發軸瓦股份有限公司，浙江杭州 311800

0 引言

軸承是機械設備中重要的組成部分之一，也是發動機的重要零部件，根據摩擦特點分為滾動軸承和滑動軸承，其中滑動軸承在零部件中起到關鍵作用，如曲軸的滑動軸承等。隨著旋轉設備對性能要求越來越高，滑動軸承對現代機械設備的安全和可靠性越來越重要，因此對滑動軸承的性能要求也有了更加嚴格的標準，不僅要求滑動軸承的承載能力變得更大，還需提升壽命和可靠性及減少振動等綜合性能，為此需要從多個角度深入研究滑動軸承潤滑特性。

壁面滑移速度是滑動軸承在工作時會出現的一種現象[1-5]，當固體顆粒的運動速度小于流體得到的運動速度時，兩者的差值就是壁面滑移速度。根據國內外文獻，出現壁面滑移速度有利于減小軸承的摩擦阻力和摩擦因數[3-8]。為了研究壁面滑移速度對滑動軸承性能的影響，本文利用CFD對滑動軸承在發生壁面滑移現象時進行數值計算和分析，定量研究壁面滑移速度對滑動軸承的承載力、扭矩和壓力分布的影響，綜合評價壁面滑移速度對軸承性能的影響[6-10]。

1 滑動軸承模型的建立

1.1 滑動軸承模型的網格及邊界設置

設定軸承直徑D=30 cm，載荷F=32 500 N，轉速n=3 000 r/min，設計的滑動軸承是自動調心式，在軸承兩端有兩個供油管，進油溫度為40 ℃。在Workbench建立模型，并在菜單欄中選擇CFX雙擊Geometry進入建立界面。先繪制草圖然后拉伸建立模型，建模完成之后就可以進行網格的劃分。這個軟件會對建完的模型自動進行網格劃分，但因為滑動軸承中間油膜的厚度很薄，所以需要對其放大處理后重新進行網格劃分，再通過MATLAB編寫程序將放大的油膜等量縮小代替之前滑動軸承模型的油膜。滑動軸承的網格示意如圖1所示。

圖1 滑動軸承的網格示意

劃分完網格后，需要對模型進行邊界條件設置。導入Mesh文件，先設置滑動軸承材料的參數：進口壓力為0.15 MPa，出口壓力為100 Pa，旋轉軸轉速為3 000 r/min，油的密度為850 kg/m3。然后在CFD中選擇“Finite Slip Wall”，這是有限元滑動墻，只適用于層流。當壁面剪應力大于臨界應力時，在不直接求解的情況下，計算了剪切變薄邊界層邊緣的壁面速度。ANSYS CFX通過使用移動壁面模擬滑移，計算公式如下：

(1)

式中：Uw為剪切變薄邊界層邊緣的壁面速度；Us為滑移速度；τc為臨界應力；τn為正應力；τ為壁面剪應力；m為正功率；B為壓力系數；p為壓力。

1.2 滑動軸承計算模型和參數

1.2.1 計算軸承特性數

軸承特性數是用來評價滑動軸承工作狀態的無因次數，其計算公式為：

(2)

式中：ω為角速度；ψ為選定間隙比；pm為平均壓力；η為黏度，η=1.5×10-6N·s/cm2。

1.2.2 計算最小油膜厚度

最小油膜厚度是某一瞬間軸承油膜厚度的最小值，其計算公式為：

hmin=c(1-ε)

(3)

式中：ε為軸承偏心率；c為半徑間隙。

通過式(3)計算得出hmin=0.019 8 cm。

1.2.3 設定軸頸與軸瓦表面粗糙度和不平度平均高度

按使用要求設定軸頸表面粗糙度，軸頸表面不平度平均高度h1=0.000 32 cm；按使用要求設定軸瓦表面粗糙度，軸瓦表面不平度平均高度h2=0.000 63 cm。

1.2.4 計算軸頸撓度和軸頸偏移量

軸頸撓度一般用來衡量軸頸的水平，其計算公式為：

(4)

式中：B為軸承寬度；D為軸承內徑。

通過式(4)計算得出γ1=1.129×10-8cm。由于設計的滑動軸承為自動調心式，所以軸頸偏移量γ2=0。

1.2.5 計算許用最小油膜厚度并校核

最小油膜厚度[hmin]=S(R1+R2+γ1+γ2)=0.001 43 cm(取S=1.5)，由于hmin≥[hmin]，所以油膜厚度可以使用。

1.2.6 計算功耗

功耗，即功率的損耗，是輸入功率和輸出功率之間的差值，計算公式為：

N=Fμrω/1 000=μFψrω/1 000

(5)

式中：Fμ為摩擦力；μ為摩擦因數；F為荷載；r為軸半徑。

通過式(5)計算得出N=2 204 W。

1.2.7 計算總流量

kQ1為承載區流量系數，根據文獻[11]取值為0.12。

kQ2為非承載區流量系數，計算公式為：

(6)

式中：ps為供油壓力；ζ為系數。

通過式(6)計算得出kQ2=0.027 5。

kQ3為槽泄流量系數，根據滑動軸承設計的要求，滑動軸承需要兩個供油槽，所以選用的公式為：

(7)

式中：m為供油槽寬度；?為系數；a為阻油槽寬度。

通過式(7)計算得出kQ3=0.005。

總流量計算公式為：

Q=Q1+Q2+Q3=2(kQ1+kQ2+kQ3)Ψr2ωB

(8)

通過式(8)計算得出Q=1 293 cm3/s。

1.2.8 校核進油溫度

滑動軸承選定使用的潤滑油為HU-22，預選平均油溫tm=56 ℃。計算潤滑油溫升，計算公式為：

(9)

通過式(9)計算得出溫升Δt=10.1 ℃。

校核進油溫度，計算公式為：

t1=tm-Δt

(10)

通過式(10)計算得出溫升t1=45.9 ℃，小于一般滑動軸承規定的溫度65 ℃。

2 壁面滑移速度對軸承性能的影響分析

下面將在不同偏心率、不同滑移速度以及不同表面產生壁面滑移速度的條件下，研究滑移速度對軸承性能的影響，本文的壁面滑移速度取值分別為0.3、0.5、0.7、1.0、1.3 mm/s。

2.1 壁面滑移速度對承載力的影響

不同偏心率下壁面滑移速度對承載力的影響如圖2所示。滑動軸承出現壁面滑移現象時，軸承受到的承載力會有明顯降低。在同一偏心率下且軸承滑移速度也相同時，壁面滑移現象出現在軸面上軸承承載力的變化比在軸瓦上出現下降更快。而且隨著滑移速度的增加，軸面承載力下降得更快，說明壁面滑移速度影響軸承承載力下降非常明顯。

圖2 不同偏心率下壁面滑移速度對承載力的影響

2.2 壁面滑移速度對扭矩的影響

不同偏心率下壁面滑移速度對扭矩的影響如圖3所示。扭矩變化和承載力變化相似，扭矩也因出現壁面滑移現象而降低，軸面變化大于軸瓦的變化。當壁面滑移速度增大時，扭矩下降速度加快，說明壁面滑移速度越大軸承工作扭矩越小。而且相同滑移速度下，扭矩下降的速度相同，說明扭矩下降速度與表面位置無關。

圖3 不同偏心率下壁面滑移速度對扭矩的影響

2.3 壁面滑移速度對壓力分布的影響

通過壁面滑移速度為0.3和1.3 mm/s的軸承壓力云圖的對比，發現隨著軸承滑移速度的增大，軸承受到的壓力會變小，說明壁面滑移速度對軸承運行時承受的壓力有影響，且滑移速度越大壓力也就越小，但是受壓面有擴展的跡象。對相同滑動軸承中出現壁面滑移速度不同形成的壓力進行對比。偏心率分別為0.34、0.55、0.75的軸承壓力云圖如圖4至圖6所示。

圖4 偏心率為0.34的軸承壓力云圖

圖6 偏心率為0.75的軸承壓力云圖

3 結論

為研究壁面滑移速度對滑動軸承性能的影響，利用CFD進行滑動軸承油膜性能數值計算，設置不同偏心率以及滑移速度，根據壁面滑移現象在軸承中出現的位置來研究壁面滑移速度對軸承性能的影響。

(1)當軸承偏心率變大時，出現壁面滑移現象時扭矩的減小也會變得更加明顯；當壁面滑移現象出現在軸瓦時，其影響要高于出現在軸面時，但并不明顯；當壁面滑移速度變大時，軸承的扭矩就會變小。

(2)通過分析可知，滑動軸承的承載力會隨著壁面滑移速度的增大而減小，但承載力的變化速度也是相對恒定的；偏心率越大，承載力下降速度也越快。根據壓力云圖的對比可知，壁面滑移速度越大，滑動軸承的最大壓力分布就越大。