可傾瓦推力軸承瓦面形貌對啟停過程的影響

安海陽 趙衛軍 曾明靜 李勁松

摘 要：可傾瓦推力軸承在啟動和停止過程中，各參數在短時間內會發生巨大的變化，研究啟停過程對可傾瓦推力軸承的設計具有重大意義。文章建立可傾瓦推力軸承啟停的瞬態模型，對可傾瓦推力軸承啟停過程進行定性分析。結果表明，瓦面形貌參數的改變對可傾瓦推力軸承啟停過程有明顯的影響，而且啟動轉速也隨著形貌參數的改變而改變。文章分析了表面凸起值對啟停轉速的影響，對可傾瓦軸承的瓦型設計及啟停時間具有指導意義。

關鍵詞：可傾瓦推力軸承；瓦面形貌；瞬態模型；啟停過程

中圖分類號：U664.21 文獻標志碼：A 文章編號：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，可傾瓦推力軸承運行環境往往是高速重載，溫度、轉速等因素的變化會對推力軸承的運行產生很大的影響。特別是在啟停過程中，在此階段，瓦面的溫度和轉速等參數會在短時間發生較大的變化，很容易發生“燒瓦”，因此對推力軸承的啟停過程研究很有必要[1]。

眾所周知，推力軸承在正常運行時，瓦面上的流體膜處于流體潤滑狀態，但是在啟停和停止過程中，流體膜經歷干摩擦、混合潤滑到流體潤滑。目前，國內外針對可傾瓦推力軸承的啟停過程的研究比較少，國外的相關文獻主要采用球盤試驗來研究啟停過程膜厚的變化，與實際應用環境差距較大。Sugimura和Spikes和Sugimura等人采用了超薄膜的光干涉測量技術，對夾帶速度變化對EHD膜厚的影響進行了詳細研究，他們的研究中包括了加速、減速、單向啟停和往復運動。但是，他們的研究由于是在低的取樣速度下進行的，對于高速下的情況不適用。Glovnea和Spikes[2]對點接觸的啟動過程中的彈流潤滑膜的形成進行了相關試驗研究。潤滑膜采用超薄的光干涉法進行測量。他們發現膜厚很大程度上取決于加速度。國內的研究采用可傾瓦推力軸承進行建模分析。楊麗華等[3]對屏蔽泵水潤滑石墨推力軸承的摩擦學性能進行了定性的分析。盧憲玖等[4]采用考慮了時變效應和熱效應的Reynolds方程，對角接觸軸承在啟停過程中的球軸承的熱瞬態混合潤滑等問題進行了相關研究。他們發現，在啟停過程中，加速度越大，油膜的溫升越高；在停止過程中由于膜厚減小，產生擠壓項，從而使得軸承在停止過程中的油膜厚度大于啟動過程中的油膜厚度；國內學者的研究模型接近真實使用環境，但是大多停留在定性分析階段，沒有建立完善的啟停過程的瞬態模型，對啟停過程進行定量的數值分析。

基于目前的研究，本文建立了可傾瓦推力軸承的瞬態計算模型，對瓦面的形貌參數改變對啟停過程的影響進行了計算。

2 理論依據及數值模型

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

然而，推力軸承的啟停過程中，膜厚在短時間內會發生較大變化，因此分析模型中雷諾方程的擠壓項不能忽略，考慮擠壓項后的雷諾方程如下式所示：

對于混合潤滑問題，采用現在使用較多的平均流量模型（簡稱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，對其進行流場分析。瓦面的膜厚如圖3所示，其膜厚表達式為（4）-（7）所示。

對式（4）進行無量綱化，采用MATLB進行編程計算。

4 計算結果及分析

分別對表面凸起高度dh下的啟停過程進行計算，其中當表面凸起值dh為0時，表示該瓦為平面瓦。

從圖4、圖5中可以看出，在開啟過程中，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h0的值影響較小。

在閉合過程中，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值的下降趨勢是先增大后減小。

閉合過程中， h0值要比開啟過程中相同轉速下的h0值要大，與前文中對于開啟、閉合過程分析結果吻合。

從圖6、圖7中可以看出，在開啟過程中，在凸起值為10μm時，開啟轉速在10rpm-20rpm之間，隨著表面凸起的減小，在10rpm時，最小無量綱膜厚出現一個先增大后減小的過程，當凸起值小于5μm時，最小無量綱膜厚的曲線與平面瓦的最小無量綱膜厚曲線基本重合。根據膜厚判定法，隨著dh值的減小，開啟轉速先減小后增大，當凸起值dh小于5μm時，開啟轉速與平面瓦的開啟轉速基本重合，即當dh值減小的過程中，開啟轉速趨于一個定值。

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

從圖8、圖9中可以看出，在開啟和閉合過程中，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逐漸趨于平穩，與dh為0時的變化趨勢一致。在閉合過程中的開始階段，周向傾角有一個先減小后增大然后再減小的過程，而且隨著dh值的減小，減小的幅度逐漸減小。

結合圖8和圖9可以看出，閉合過程中的開始階段，推力瓦會產生一個大幅的擺動，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，該擺動逐漸增大。推力軸承瓦塊的大幅擺動對于推力軸承的壽命和系統的穩定性有潛在的危害。因此，合理設計dh值有利于提高瓦塊的啟停過程中系統的穩定性和瓦塊的壽命。

5 結論和展望

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

帶凸起的瓦面對可傾瓦推力軸承的啟停過程有影響，尤其是啟動轉速，隨著凸起值的增大，開啟轉速先減小后增大，閉合轉速受凸起值dh的影響較小。

瓦面凸起值dh對瓦塊在啟停過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值模型的計算，計算的表面凸起值dh范圍還比較小，下一步工作需要對更大范圍的dh值對啟停過程的影響進行研究。而且，在計算中，計算的轉速步長較大，對啟停轉速的具體值計算還不夠精確，需要對0-20rpm范圍內的啟停過程進行精度更高的計算，從而進一步驗證結果。

參考文獻：

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