軋機動壓油膜軸承潤滑油量的計算

薛亞文，王建梅，陶德峰，王堯，康建峰

(太原科技大學機械工程學院太原030024)

軋機油膜軸承也稱液體摩擦軸承，它與滾動軸承相比具有承載能力大、摩擦系數小、運轉精度高、使用壽命長、速度范圍寬、抗沖擊能力強、結構緊湊等優點[1]。目前，動壓油膜軸承廣泛應用于國內外熱連軋機組，其性能直接影響到軋機的性能及整個生產線的生產。要保持油膜軸承的良好使用性能，必須建立完善的油膜軸承潤滑系統，使軸承自始至終在全液體潤滑狀態下工作，而油膜軸承的潤滑油量是油膜軸承潤滑系統各參數中的關鍵參數，潤滑油量一經確定，潤滑系統各元件參數便隨之確定。潤滑油量就是軸承的補償流量，即從軸承兩端流出的側泄量(軸向流量)，它由兩部分組成:一部分是承壓區在油楔中壓強作用下的側泄量;另一部分是非承壓區在供油壓強作用下的側泄量。本文給出了潤滑油量的計算公式，并且分析了影響潤滑油量的相關因素。

1 動壓油膜軸承工作原理及組成

軋機油膜軸承是典型的流體動壓潤滑軸承，利用錐套和襯套之間的間隙形成合理斜楔，中間充滿一定黏度的潤滑油。錐套旋轉時，將潤滑油代入斜楔，形成壓力油膜承受軋機載荷。動壓效應的形成需要具備三個條件:(1)截面變化，形成斜楔;(2)斜楔中充滿液體介質;(3)液體介質具有一定速度。動壓油膜軸承的組成主要包括:襯套、錐套、鎖緊件、密封件、軸向承載件等(如圖1)。

圖1 油膜軸承組成圖Fig.1 The constitutes of oil-film bearing

2 潤滑油量的理論計算方法

在軸承軸向間隙中取一微元流體dV=dxdydz，假設流體是勻速流動，則作用力應滿足平衡條件[2]:

根據牛頓粘性定律:

可計算得出流速為:

油膜軸承軸向的液體流動不是勻速的，其平均流速為勻速的一半，即:

軸承的軸向流量為:

油膜厚度為:

壓強、相對偏心率、載荷、速度之間的關系如下式:

軸承潤滑油量由兩部分組成(圖2所示)，在承載區上部，區間上計算求出:

軸承的全部潤滑油量為:

式中:Q——軸承潤滑油量，L/min;

D，L——軸頸的直徑和軸承寬度，mm;

δ—— 半徑間隙，mm;

r—— 軸承半徑，mm;

μ—— 潤滑油動力粘度，Pa·s;

v—— 軸承線速度，m/s;

A——修正系數;

ε—— 偏心率;

e——偏心距，mm.

圖2 油膜軸承坐標圖Fig.2 The coordinate system of oil-film bearing

3 潤滑油量的數值計算方法

當潤滑油在兩固體表面之間作層流運動時，其雷諾方程[3]為:

對于穩態工況下的軸承，假設潤滑油為不可壓縮流體，在等溫狀態下無量綱化的雷諾方程為:

其中各無量綱參數為:

任一點油膜壓力的有限差分計算公式:

單位長度的潤滑油量:

沿圓周積分求得潤滑油量:

無量綱化后的無量綱表達式:

采用矩形積分公式離散上述公式得:

計算程序框圖如圖3.

式中:η0——入口處潤滑油的黏度，Pa·s;

p ——油膜壓力，MPa.

圖3 數值計算方法程序框圖Fig.3 The program chart of numerical calculating method

4 潤滑油量的經驗計算方法

方法一:根據軸承的熱平衡方程求潤滑油量[4]:

方法二:根據軸承相對間隙及偏心率求潤滑油量:

方法三:生產中常用簡化公式:

式中:P——軸承載荷，kg;

f——軸承摩擦系數;

k——軸承座散熱系數;

△t——油通過軸承的實際溫升，℃;

γ—— 油的比重，kg/L;

c—— 油的比熱，kcal/kg·℃;

?——軸承相對間隙，mm;

s——軸承半徑間隙，mm.

5 實例計算

本文根據某實驗室軋機動壓油膜軸承的參數(如表1所示)，采用不同的計算方法對潤滑油量進行了計算，結果如表2所示。由計算結果可知:理論計算方法與經驗計算方法一、二相比，其計算結果偏小，其相對誤差分別為7.67%和13.70%;與數值計算方法相比，其計算結果偏大，相對誤差為4.49%.相對其他計算方法，經驗計算方法三考慮因素較少，計算結果精確度較低，理論計算方法與其計算結果偏差較大，相當誤差為22.59%.

經驗計算方法一、二分別從不同的角度對潤滑油量進行計算，所得結果相對理論計算方法和數值計算方法偏大，會造成浪費，但能夠保證生產安全。總體來看，經驗計算方法一、二、數值計算與理論計算所得結果相近，最終潤滑油量取2.6 L/min。在實際生產中，一般根據最大工作速度和最大載荷計算出最大潤滑油量，潤滑系統的流量取最大潤滑油量的1.2 到1.25 倍。

表1 油膜軸承的主要參數Tab.1 the main parameters of oil-film bearing

表2 計算結果Tab.2 the calculating results

6 結論

(1)油膜軸承的潤滑油量受軋制制度、軸承自身幾何參數、工作環境共同影響，如圖4所示。因此，潤滑油量應根據生產中的具體工況來確定。

(2)軸承的載荷和運行速度對潤滑油量影響最大，尤其在高速、高載荷的工況下影響更大。溫度與壓力對潤滑油的黏度有影響，從而影響潤滑油量。

(3)潤滑油量與載荷、運行速度、軸承間隙和偏心率成正比，與潤滑油黏度成反比。另外，潤滑油量隨軸承寬徑比的增大而減小。寬徑比增大，則潤滑油軸向流動阻力增大，油膜壓力梯度降低，會使得潤滑油量降低。

圖4 潤滑油量的影響因素Fig.4 The influencing factors of lubricating oil amount

[1]郭溪泉.現代大型軋機油膜軸承[M].北京:機械工業出版社，1998.

[2]董寶力.油膜軸承供油量的一種理論計算方法[J].山西機械，2001(1):18-20.

[3]王建梅.大型軋機油膜軸承潤滑性能與運行行為研究[D].太原:太原理工大學，2009.

[4]陳玉明等.軋機動壓油膜軸承潤滑系統的設計及使用[J].一重技術，1996(2):25-27.

[5]申鐵生.油膜軸承供油量計算[J].太原重型機械學院學報，2002，23(S0):44-46.

[6]黃慶學.軋機軸承與軋輥壽命研究及應用[M].北京:冶金工業出版社，2007.

[7]馮健.軋機油膜軸承潤滑系統[J].太原科技大學學報，2006，27(S0):57-58.

[8]張敬芳，郝尚清.軋機油膜軸承動壓潤滑系統的組成及其功能特征[J].太原科技大學學報，2006，27(S0):76-78.

[9]趙渭良，韓英利.熱連軋機組油膜軸承對潤滑系統的要求[J].液壓與氣動，2007(9):62-64.

[10]段麗娟，劉云.軋機油膜軸承潤滑系統設計淺析[J].一重技術，2007(6):31-32.

[11]ALMQVIST T，ALMQVIST A，A Comparison Between Computational Fluid Dynamic and Reynolds Approaches for Simulating Transient EHL Line Contacts[J].Tribology International，2004，37:61-69.

[12]DOWSON D.A Generalized Reynolds Equation for Fluid Film Lubrication[J].International Journal of Mechanical Science，1962，4:10-13.

[13]楊匯榮，軋機靜-動壓油膜軸承結構和性能[J].機械管理開發，2006(5):6-7.