基于JFO理論的滑動軸承空穴遷移及性能分析

李波，劉清蟬，林聰，楊明，曹敏，李仕林，林中愛

(1. 云南電網有限責任公司 電力科學研究院，云南 昆明 650217； 2. 中國南方電網公司 電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217)

0 引言

滑動軸承是機械傳動過程中的一個重要部件，并且在航海領域、航空航天領域都有著較多的應用。 軸承性能的好壞主要取決于軸承的潤滑性能，時至今日，軸承的潤滑吸引了較多的專家和學者進行研究，并涌現出較多的研究成果。張勝倫等人考慮瞬態沖擊和彈性變形對滑動軸承特性與動力學響應進行了研究[1]；董寧等人研究了考慮固體顆粒和粗糙度的水潤滑飛龍軸承熱彈流潤滑性能[2]；侯夢琪等人對動載徑向滑動軸承流體潤滑的性能進行了分析[3]；雷渡民等人研究了表面織構對滑動軸承混合潤滑特性的影響[4]；向建華等人研究了軸頸圓度誤差對滑動軸承潤滑性能的影響[5]；黎偉等人對多瓦可傾瓦徑向滑動軸承進行了熱彈流潤滑分析[6]；胡冬良等人研究了動壓滑動軸承潤滑狀態與磨損[7]；王小靜等人基于復合型紊流潤滑理論對徑向滑動軸承紊流潤滑性能進行了研究[8]；邵正宇等人對液體動力潤滑徑向滑動軸承進行了優化設計[9]；陳凌珊等人研究了軸承彈性變形對動載滑動軸承潤滑狀況的影響[10]。雖然專家學者對軸承的潤滑特性的研究逐年增加，但是大都集中在考慮表面微織構、彈性變形及潤滑方式等方面的影響，關于對滑動軸承的空穴遷移對潤滑性能的影響尚且較少。因此，本文以動壓滑動軸承為研究對象，探究滑動軸承的氣穴效應對潤滑性能的影響，必將推動滑動軸承的潤滑性能的發展。

1 滑動軸承理論模型構建

本文研究的對象為動壓滑動軸承，其結構模型如圖1所示。動壓滑動軸承的主要工作原理為軸和軸承之間的相對運動帶動潤滑介質進入由兩個相對滑動的表面形成油膜間隙，從而使得軸和軸承能夠被油膜分割開，避免硬接觸，從而提高軸承的潤滑效果和軸承的使用壽命。

圖1 動壓滑動軸承結構

滑動軸承的潤滑特性是其承載過程中的一個重要屬性，考慮潤滑介質具有一定的粘溫粘壓和密溫密壓特性，因此，準確地建立動壓滑動軸承的潤滑模型就顯得尤為重要[11-12]。彈流潤滑是描述具有粘溫粘壓和密溫密壓特性潤滑介質的潤滑性能的最準確模型，因此，建立動壓滑動軸承的彈流潤滑模型如圖2所示。

圖2 彈流潤滑模型

圖2中，R1和R2分別表示軸和軸承內孔的半徑，R為等效曲率半徑，U1和U2分別表示軸和軸承的線速度，將相對運動進行簡化后固定U2為0。

彈流潤滑求解過程較為復雜，忽略溫升，建立準確的雷諾方程、膜厚方程、流速方程、載荷方程、密壓方程及粘壓方程就顯得尤為重要。根據動壓潤滑基本理論和彈流潤滑模型建立上述方程如式(1)。

Reynolds方程：

(1)

式中，h為油膜厚度，ρ為潤滑介質密度，η為潤滑介質的粘度。

膜厚方程：

(2)

(3)

式中，h0為中心膜厚，E′為綜合彈性模量，E1和E2分別表示軸和軸承的彈性模量，ν1和ν2為軸和軸承的泊松比。

流速方程：

(4)

載荷方程：

(5)

密壓方程：

(6)

粘壓方程：

η=η0exp((lnη0+9.67)((1+5.1×10-9p)z0-1))

(7)

式中，p為油膜壓力，z0為雷諾粘壓系數。

2 彈流潤滑數值分析

根據上述所建立的彈流潤滑的數學模型對氣穴效應下的滑動軸承的潤滑性能進行分析，得到如下結果。

圖3描述了不同載荷下的滑動軸承的潤滑壓力和膜厚分布圖，載荷的大小在氣穴的界面轉移過程中起著重要的作用。通過圖3可以看出：入口區的油膜壓力隨著載荷的增大而減小，出口區則相反；但是油膜厚度始終與載荷的大小呈現出負相關，載荷越大，油膜厚度則越小。

軸與軸承的相對轉速也是影響動壓滑動軸承的氣穴效應的重要因素之一，因此，轉速對彈流潤滑的壓力和膜厚的影響的研究就顯得尤為重要。圖4描述了不同轉速下的壓力和膜厚的分布圖。通過圖4可以看出：壓力峰值隨著無量綱轉速的增大而減小，這是由于轉速增大導致膜厚增大，故而相應的壓力就會減小；入口區的壓力與轉速之間呈現出明顯的正相關，出口區轉速對壓力的影響不大[13]；膜厚與轉速之間在任何位置都呈現出了明顯的正相關，轉速越大，油膜壓力也相應的越大，此時，軸承的承載能力增強，氣穴較少。

圖3 不同載荷下的壓力和膜厚分布圖

圖4 不同轉速下的壓力和膜厚分布圖

氣穴效應是由于相對運動中產生的氣泡的游動產生的，氣穴效應的存在一定程度上改變著滑動軸承的潤滑性能，氣穴的尺寸和位置是描述氣穴效應的重要指標。圖5描述了氣穴在不同位置時的壓力和膜厚的分布圖。通過圖5可以看出：隨著氣穴的位置由入口區向出口區移動，接觸區的壓力值逐漸增大；二次壓力峰的位置隨著氣穴位置的移動而右移，并且壓力峰數值變大；膜厚呈現出的趨勢與壓力相反，隨著氣穴位置向出口區移動，膜厚數值逐漸減小。離軸承的楔形間隙越近，越容易使得顆粒接觸區周圍流入的潤滑劑減少，膜厚變薄。

圖5 氣穴處于不同位置的壓力和膜厚分布圖

圖6描述了不同氣穴尺寸對滑動軸承的潤滑壓力及膜厚的影響關系。通過圖6可以看出：油膜的壓力與氣穴尺寸之間呈現出明顯的正相關，氣穴范圍的半徑越大，油膜壓力相應越大，并且接觸區的壓力波動幅值越大；膜厚與氣穴范圍尺寸之間呈現出明顯的負相關，氣穴尺寸越大，油膜厚度越小，軸承的承載能力變差。

3 結語

1) 入口區的油膜壓力隨著載荷的增大而減小，出口區則相反；但是油膜厚度始終與載荷的大小呈現出負相關，載荷越大，油膜厚度則越小。入口區的壓力與轉速之間呈現出明顯的正相關，出口區轉速對壓力的影響不大；膜厚與轉速之間在任何位置都呈現出了明顯的正相關，轉速越大，油膜壓力也相應的越大。

圖6 氣穴尺寸不同時壓力和膜厚的分布圖

2) 隨著氣穴的位置由入口區向出口區移動，接觸區的壓力值逐漸增大；二次壓力峰的位置隨著氣穴位置的移動而右移，并且壓力峰數值變大；膜厚呈現出的趨勢與壓力相反；油膜的壓力與氣穴尺寸之間呈現出明顯的正相關，氣穴范圍的半徑越大，油膜壓力相應越大，并且接觸區的壓力波動幅值越大。