可傾瓦推力軸承瓦面形貌對(duì)啟停過(guò)程的影響

安海陽(yáng) 趙衛(wèi)軍 曾明靜 李勁松

摘 要：可傾瓦推力軸承在啟動(dòng)和停止過(guò)程中，各參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生巨大的變化，研究啟停過(guò)程對(duì)可傾瓦推力軸承的設(shè)計(jì)具有重大意義。文章建立可傾瓦推力軸承啟停的瞬態(tài)模型，對(duì)可傾瓦推力軸承啟停過(guò)程進(jìn)行定性分析。結(jié)果表明，瓦面形貌參數(shù)的改變對(duì)可傾瓦推力軸承啟停過(guò)程有明顯的影響，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)速也隨著形貌參數(shù)的改變而改變。文章分析了表面凸起值對(duì)啟停轉(zhuǎn)速的影響，對(duì)可傾瓦軸承的瓦型設(shè)計(jì)及啟停時(shí)間具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：可傾瓦推力軸承；瓦面形貌；瞬態(tài)模型；啟停過(guò)程

中圖分類號(hào)：U664.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）11-0044-04

Abstract： The parameters of tilting pad thrust bearing will change greatly in a short time in the process of starting and stopping. It is of great significance to study the starting and stopping process of tilting pad thrust bearing. In this paper， a transient model of tilting pad thrust bearing is established， and the process of start and stop of tilting pad thrust bearing is analyzed qualitatively. The results show that the change of the profile parameters has a significant effect on the starting and stopping process of the tilting pad thrust bearing， and the starting speed also changes with the change of the profile parameters. In this paper， the influence of surface protruding value on the starting and stopping speed is analyzed， which is of guiding significance to the design and start-stop time of tilting pad bearing.

Keywords： tilting pad thrust bearing； bearing surface； transient model； starting and stopping process

1 概述

目前，可傾瓦推力軸承運(yùn)行環(huán)境往往是高速重載，溫度、轉(zhuǎn)速等因素的變化會(huì)對(duì)推力軸承的運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。特別是在啟停過(guò)程中，在此階段，瓦面的溫度和轉(zhuǎn)速等參數(shù)會(huì)在短時(shí)間發(fā)生較大的變化，很容易發(fā)生“燒瓦”，因此對(duì)推力軸承的啟停過(guò)程研究很有必要[1]。

眾所周知，推力軸承在正常運(yùn)行時(shí)，瓦面上的流體膜處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，但是在啟停和停止過(guò)程中，流體膜經(jīng)歷干摩擦、混合潤(rùn)滑到流體潤(rùn)滑。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)可傾瓦推力軸承的啟停過(guò)程的研究比較少，國(guó)外的相關(guān)文獻(xiàn)主要采用球盤試驗(yàn)來(lái)研究啟停過(guò)程膜厚的變化，與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境差距較大。Sugimura和Spikes和Sugimura等人采用了超薄膜的光干涉測(cè)量技術(shù)，對(duì)夾帶速度變化對(duì)EHD膜厚的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，他們的研究中包括了加速、減速、單向啟停和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但是，他們的研究由于是在低的取樣速度下進(jìn)行的，對(duì)于高速下的情況不適用。Glovnea和Spikes[2]對(duì)點(diǎn)接觸的啟動(dòng)過(guò)程中的彈流潤(rùn)滑膜的形成進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。潤(rùn)滑膜采用超薄的光干涉法進(jìn)行測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)膜厚很大程度上取決于加速度。國(guó)內(nèi)的研究采用可傾瓦推力軸承進(jìn)行建模分析。楊麗華等[3]對(duì)屏蔽泵水潤(rùn)滑石墨推力軸承的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了定性的分析。盧憲玖等[4]采用考慮了時(shí)變效應(yīng)和熱效應(yīng)的Reynolds方程，對(duì)角接觸軸承在啟停過(guò)程中的球軸承的熱瞬態(tài)混合潤(rùn)滑等問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。他們發(fā)現(xiàn)，在啟停過(guò)程中，加速度越大，油膜的溫升越高；在停止過(guò)程中由于膜厚減小，產(chǎn)生擠壓項(xiàng)，從而使得軸承在停止過(guò)程中的油膜厚度大于啟動(dòng)過(guò)程中的油膜厚度；國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究模型接近真實(shí)使用環(huán)境，但是大多停留在定性分析階段，沒(méi)有建立完善的啟停過(guò)程的瞬態(tài)模型，對(duì)啟停過(guò)程進(jìn)行定量的數(shù)值分析。

基于目前的研究，本文建立了可傾瓦推力軸承的瞬態(tài)計(jì)算模型，對(duì)瓦面的形貌參數(shù)改變對(duì)啟停過(guò)程的影響進(jìn)行了計(jì)算。

2 理論依據(jù)及數(shù)值模型

對(duì)于流體動(dòng)壓的研究，目前普遍采用化簡(jiǎn)的雷諾方程，可傾瓦推力軸承采用柱坐標(biāo)系下的雷諾方程，如式（1）所示：

然而，推力軸承的啟停過(guò)程中，膜厚在短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生較大變化，因此分析模型中雷諾方程的擠壓項(xiàng)不能忽略，考慮擠壓項(xiàng)后的雷諾方程如下式所示：

對(duì)于混合潤(rùn)滑問(wèn)題，采用現(xiàn)在使用較多的平均流量模型（簡(jiǎn)稱PC流量模型）：

3 分析模型

可傾瓦推力軸承的瓦面形狀示意圖如圖2所示，對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)分析。瓦面的膜厚如圖3所示，其膜厚表達(dá)式為（4）-（7）所示。

對(duì)式（4）進(jìn)行無(wú)量綱化，采用MATLB進(jìn)行編程計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

分別對(duì)表面凸起高度dh下的啟停過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，其中當(dāng)表面凸起值dh為0時(shí)，表示該瓦為平面瓦。

從圖4、圖5中可以看出，在開啟過(guò)程中，隨著凸起高度dh的減小，間隙值h0的變化曲線比較集中，即dh值的改變對(duì)h0的值影響較小。

在閉合過(guò)程中，間隙值h0的變化曲線也比較集中，但是在閉合的開始階段，h0值的下降趨勢(shì)是先增大后減小。

閉合過(guò)程中， h0值要比開啟過(guò)程中相同轉(zhuǎn)速下的h0值要大，與前文中對(duì)于開啟、閉合過(guò)程分析結(jié)果吻合。

從圖6、圖7中可以看出，在開啟過(guò)程中，在凸起值為10μm時(shí)，開啟轉(zhuǎn)速在10rpm-20rpm之間，隨著表面凸起的減小，在10rpm時(shí)，最小無(wú)量綱膜厚出現(xiàn)一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，當(dāng)凸起值小于5μm時(shí)，最小無(wú)量綱膜厚的曲線與平面瓦的最小無(wú)量綱膜厚曲線基本重合。根據(jù)膜厚判定法，隨著dh值的減小，開啟轉(zhuǎn)速先減小后增大，當(dāng)凸起值dh小于5μm時(shí)，開啟轉(zhuǎn)速與平面瓦的開啟轉(zhuǎn)速基本重合，即當(dāng)dh值減小的過(guò)程中，開啟轉(zhuǎn)速趨于一個(gè)定值。

在閉合過(guò)程中，閉合的開始階段，最小無(wú)量綱膜厚有一個(gè)增大然后減小的過(guò)程，其幅值隨著凸起值dh的減小而減小。當(dāng)dh為0時(shí)，瓦塊為平面瓦，此時(shí)閉合的開始階段，最小無(wú)量綱膜厚沒(méi)有增大然后減小的過(guò)程。從圖7中可以看出，閉合的過(guò)程中，最小無(wú)量綱膜厚要比開啟過(guò)程中在相同轉(zhuǎn)速下的最小無(wú)量綱膜厚要大，這與前文中分析的閉合過(guò)程中的結(jié)果相吻合。

從圖8、圖9中可以看出，在開啟和閉合過(guò)程中，隨著凸起值dh的減小，周向傾角明顯也隨之減小，而且隨著dh值的減小，周向傾角的曲線變化趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)，與dh為0時(shí)的變化趨勢(shì)一致。在閉合過(guò)程中的開始階段，周向傾角有一個(gè)先減小后增大然后再減小的過(guò)程，而且隨著dh值的減小，減小的幅度逐漸減小。

結(jié)合圖8和圖9可以看出，閉合過(guò)程中的開始階段，推力瓦會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大幅的擺動(dòng)，是由于凸起值dh引起的周向傾角的突然變化造成的，隨著dh的增大，該擺動(dòng)逐漸增大。推力軸承瓦塊的大幅擺動(dòng)對(duì)于推力軸承的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性有潛在的危害。因此，合理設(shè)計(jì)dh值有利于提高瓦塊的啟停過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瓦塊的壽命。

5 結(jié)論和展望

可傾瓦推力軸承在閉合過(guò)程中由于擠壓項(xiàng)的影響，閉合過(guò)程中的膜厚要比開啟過(guò)程中相同轉(zhuǎn)速下的膜厚要大，閉合轉(zhuǎn)速要比開啟轉(zhuǎn)速低，從而可能引起推力軸承在閉合過(guò)程的結(jié)束瞬間產(chǎn)生大的沖擊。

帶凸起的瓦面對(duì)可傾瓦推力軸承的啟停過(guò)程有影響，尤其是啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，隨著凸起值的增大，開啟轉(zhuǎn)速先減小后增大，閉合轉(zhuǎn)速受凸起值dh的影響較小。

瓦面凸起值dh對(duì)瓦塊在啟停過(guò)程中的周向傾角影響較為明顯，隨著dh值的增加，周向傾角也隨之增加。

本文的研究主要是基于數(shù)值模型的計(jì)算，計(jì)算的表面凸起值dh范圍還比較小，下一步工作需要對(duì)更大范圍的dh值對(duì)啟停過(guò)程的影響進(jìn)行研究。而且，在計(jì)算中，計(jì)算的轉(zhuǎn)速步長(zhǎng)較大，對(duì)啟停轉(zhuǎn)速的具體值計(jì)算還不夠精確，需要對(duì)0-20rpm范圍內(nèi)的啟停過(guò)程進(jìn)行精度更高的計(jì)算，從而進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果。

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