耐磨損徑向滑動軸承結構設計及數值模擬研究

高振軍，劉建瑞，常 浩

（1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心, 江蘇 鎮江 212013；2. 濱州市環境工程技術重點實驗室（濱州市環境保護科學技術研究所），山東 濱州 256600）

耐磨損徑向滑動軸承結構設計及數值模擬研究

高振軍1,2，劉建瑞1，常 浩1

（1.江蘇大學流體機械工程技術研究中心, 江蘇 鎮江 212013；2. 濱州市環境工程技術重點實驗室（濱州市環境保護科學技術研究所），山東 濱州 256600）

在磁力泵滑動軸承的實際設計過程中，應該綜合考慮潤滑、冷卻、防止顆粒劃傷等因素，同時兼顧泵的效率要求。基于軸瓦內側開設導流槽、軸瓦分布圓孔的設計思路，設計了11種不同結構的磁力泵徑向滑動軸承，并對其進行有限元計算，分析了不同結構徑向滑動軸承的力學性能，初步總結了導流槽及軸瓦圓孔在自潤滑軸承設計中的應用規律。

磁力泵；滑動軸承；數值模擬；研究

1 前言

磁力泵是一種無泄露泵，被抽送的液體被封閉在隔離套內，無軸封問題，實現了泵的全密封、無泄漏，但是磁力泵的內磁轉子與隔離套的間隙較小，軸承磨損到一定程度后，不僅產生噪音與振動，還會導致內磁轉子與隔離套發生變形和失效，造成介質泄漏[1-2]，引發事故。因此,研究開發耐磨損、自潤滑性能好的滑動軸承成為磁力泵研究開發的關鍵技術之一。

2 徑向滑動軸承的設計

磁力泵滑動軸承的設計與泵結構、性能參數相關，磁力泵性能參數：流量Q=180m3/h，揚程H=45m，轉速n=2 900r/min，介質65%乙二醇，溫度t= 22℃，密度ρ≈1 000kg?m-3。

該磁力泵滑動軸承采用孔槽分布式結構，軸瓦分布圓孔，內側開螺旋槽或導流槽,其特點有：軸瓦上分布圓孔，在保證軸承強度的同時，減少了軸摩擦面積,提高了耐磨性能；軸瓦內側開螺旋槽或直導流槽，有利于潤滑介質的通過，不但確保滑動軸承自身的潤滑冷卻，同時還保證磁鋼轉子的冷卻；通過滑動軸承的循環液能將滑動軸承運行產生的熱量和隔離套內磁渦流產生的熱量帶走，確保循環液體不汽化，確保動、靜配合的軸和軸承在熱膨脹后不抱死。該滑動軸承結構簡單，運行穩定，安裝容易[3]。

磁力泵滑動軸承屬于導軸承的范疇，其結構設計主要考慮軸承的潤滑和散熱等因素，并盡量有利于潤滑膜的形成，減少磨損。

2.1 滑動軸承內徑

軸承內徑D主要由軸的結構和所受極限壓力決定，初步設計考慮傳遞最大扭矩，軸承內徑計算公式如下[4]：

式中：d——軸的直徑，m ；

Mn——軸的扭矩，N·m；

[τ]——材料的許用切應力，Pa；

σ——軸承與軸之間間隙，mm。

2.2 軸承寬度

軸承寬度B一般按寬徑比B/D以及D來確定，B/D越大，則軸承的承載能力越強，但散熱性較差，溫升較高；B/D越小，摩擦功耗越小，軸承溫升較低，但承載能力較弱，軸瓦磨損較快。通常取B/D= 0.75～1.5。軸承材料采用SiC，取軸承寬度B=1.4D[5]。

2.3 軸瓦設計

因軸承散熱的需要，軸瓦厚度設計不宜太厚，外徑壁厚尺寸一般取b = 0.2D；軸瓦內壁開設螺旋槽，螺旋槽的開設有利于潤滑介質的通過以及潤滑膜的形成，螺旋槽尺寸的大小與滑動軸承內徑D及選用的材料相關，其大小可由表1查得[6-8]。

表1 螺旋槽尺寸 mm

軸瓦分布圓柱孔，適當增加圓孔半徑R和圓孔的數量n可以減小摩擦損失，提高軸承的耐摩性能，但R、n不宜取過大，否則會降低軸承強度。實際設計過程中需要根據軸承的寬度、軸瓦厚度及內徑的大小適當確定R、n的取值。

2.4 滑動軸承與軸的間隙

軸瓦與軸之間的間隙σ非常重要，如果間隙過小，液體介質太薄，不易形成潤滑膜，影響磨損性能，不利于軸承的潤滑冷卻；另外，間隙太小，軸承磨損產生的熱量不能及時散發，軸與軸承發生熱膨脹，易發生抱死現象[9-10]。如果間隙過大，冷卻循環流量過大，泵的泄漏量將會明顯增大，同時會降低泵的揚程，影響泵的效率。滑動軸承與軸間隙理論上取σ=0.01d。

2.5 軸承PV值校核

PV值間接地反映了軸承的溫升。對于載荷較大和速度較高的軸承，為保證工作時軸承不因過度發熱而產生膠合失效，PV值應滿足以下條件：

式中：n——軸的轉速，r／min；

[PV]——軸瓦材料的許用值，MPa·m／s。

2.6 冷卻循環流量的的確定

根據磁力泵內外磁鋼及前后導軸承、推力盤的功率消耗和循環液的允許溫升，即可以確定出循環液的流量。通常認為循環流量約為泵設計流量的1%～5%。對小流量磁力泵來說，5%的泵設計流量作為冷卻循環液是不夠的。理論上可按下式計算[11]:

式中：q——冷卻循環液流量，m／n；

K1——內外磁鋼產生的熱量，kJ/h ;

K2——前后導軸承產生的熱量，kJ/h ;

K3——前后推力盤產生的熱量，kJ/h;

K4——其他阻力元件產生的熱量，kJ/h;

Ρ——循環液的密度，kg/m3;

C——循環液的比熱，kJ/kg·℃;

△T——循環液的溫升，℃。

循環液的溫升一般≤3～7℃，其循環流量不得小于表 2的規定。對于易汽化的介質建議循環液溫升≤1～2℃。

表2 磁力泵循環液流量

圖1 不同結構的磁力泵徑向滑動軸承三維圖

2.7 不同結構徑向滑動軸承三維圖

根據以上計算得到徑向滑動軸承的尺寸：D=30mm，B=42mm, b=8mm。利用Pro/E軟件繪出不同結構的徑向滑動軸承的三維模型如圖1所示。滑動軸承材料選用SiC，密度3.1g/cm3，彈性模量390GPa，泊松比0.142。在ANSYS Workbench中建立滑動軸承的參數化模型，對求解域進行網格劃分，加載徑向載荷10kN,摩擦力矩30N，求解，并進行后處理過程。

3 不同結構的徑向滑動軸承有限元分析

3.1 導流槽形狀對結構性能的影響

導流槽的開設有利于增加循環液流量，防止軸承溫度升高，并能及時帶走介質中或摩擦產生的固體顆粒，防止劃傷軸承。導流槽開設不當，會降低軸承強度，嚴重時會加速磨損，影響軸承使用壽命，所以合理地開設導流槽是徑向滑動自潤滑軸承的重點之一。由圖2及表3可知，開設導流槽，使徑向滑動軸承變形增大，等效應力分布情況變差，其中方形和圓形導流槽應力、變形差別不大，方形和圓形這兩種導流槽形狀差異對滑動軸承結構的影響較小。螺旋形導流槽的開設，有利于冷卻潤滑性能的提高，但最大變形量出現在兩端螺旋槽切入部位，且應力、變形量較大，容易出現應力集中的現象。

3.2 圓孔排列方式對結構性能的影響

圖2 不同導流槽形狀的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應力分布云圖

表3 不同形狀導流槽的徑向滑動軸承應力、變形分析

軸瓦開設圓孔，降低了軸與滑動軸承直接接觸的面積，在實際運行過程中，軸瓦圓孔內布滿冷卻潤滑介質，有利于潤滑膜的形成，防止滑動軸承邊界摩擦的情況出現，提高了軸承的冷卻潤滑性能。圓孔的開設降低了滑動軸承的強度，所以合理的開設圓孔，是徑向滑動軸承設計成功的關鍵因素之一。由圖3及表4可知，開設圓孔后，滑動軸承的最大變形量及最大等效應力變大，等效應力分布情況變差；圓孔排列方式的變化對最大變形量和最大等效應力值的影響比較小；圓孔相間排列式徑向滑動軸承最大等效應力比其他兩種結構大，位于兩端及圓孔附近，應力集中現象明顯。

3.3 導流槽數量對結構性能的影響

由圖4、表5可知，隨著導流槽數量的不斷增大，最大等效應力不斷增大，滑動軸承力學性能下降。最大變形量及最大等效應力的出現位置趨向于軸瓦兩端，應力集中現象明顯。導流槽數量越多，軸承的冷卻性能越好。過多開設導流槽，降低了滑動軸承強度，在實際生產過程中容易出現軸承破碎磨損現象，因此，合理的開設導流槽數量是滑動軸承設計的重點之一。

圖3 不同圓孔排列形狀的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應力分布云圖

圖4 不同導流槽數量的徑向滑動軸承總變形云圖及等效應力分布云圖

3.4 組合式導流槽對結構性能的影響

為了更好地冷卻潤滑軸承，將徑向滑動軸承設計成圓孔與直槽搭配或者是圓孔與螺旋槽搭配的結構，利用螺旋槽或者直槽吸入更多流體來完成潤滑冷卻的作用，圓孔與槽組合式結構更容易形成潤滑膜。在運行過程中，即使發生邊界摩擦，在摩擦過程中產生的雜質顆粒更容易被導流槽帶走，但是，由圖5及表6可知，采用孔與槽組合式結構的徑向滑動軸承，最大變形量及最大等效應力均增大，其中螺旋槽與孔組合式的結構最明顯。方槽與孔組合式的最大變形及最大應力出現在方槽附近的圓孔處，螺旋槽組合式的最大變形及最大等效應力出現在兩端螺旋槽切入部分。根據不同的使用場合選擇不同結構的徑向滑動軸承。

表4 不同圓孔排列形狀的徑向滑動軸承應力、變形分析

表5 不同導流槽數量的徑向滑動軸承應力、變形分析

4 結束語

圖5 組合式徑向滑動軸承總變形云圖及等效應力分布云圖

表6 兩種組合式徑向滑動軸承應力、變形分析

基于磁力泵徑向滑動軸承冷卻、潤滑、磨損等實際情況的考慮，設計了11種不同結構的磁力泵徑向滑動軸承，并用有限元數值模擬的方法對其結構性能進行研究。分析了不用結構下的磁力泵徑向滑動軸承的應力、變形情況，初步總結了圓孔結構、導流槽結構在磁力泵徑向滑動軸承設計中的應用規律，對于開發設計耐磨損、冷卻效果好、使用壽命長的滑動軸承有著一定的實際意義。

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（編輯：林小江）

Structure design and numerical simulation study for radial journal bearing with wear resistance

Gao Zhenjun1,2, Liu Jianrui1, Chang Hao1

(1.Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China; 2.Binzhou Key Laboratory of Environmental Engineering and Technology, Binzhou 256600, China)

In the actual design process of magnetic pump journal bearing, lubrication, cooling, preventing particles from scratch, etc. should be overall into account, at the same time, the effciency of the pump should be also into account .11kinds of different structural journal bearing were designed and simulated with finite element method based on the design ideas of openning diversion channel in inside of the bush, distribution round holes in bearing,and the mechanical properties of different structures of journal bearing were analyzed,and the application regularity of diversion trench and bearing round holes was summarized in the desidn of journal bearing.

magnetic pump; journal bearing;numerical simulation; study

TH 133.31

A

1672-4852（2015）02-0047-05

2015-05-22.

高振軍（1986-），男， 博士研究生.

江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目資助（CXZZ13-0674），濱州市環境工程技術重點實驗室開放基金項目（編號：bzhks201405）.