微凹槽參數對軸承潤滑性能影響的顯著程度分析

鞏加玉，金勇，劉正林，王煥杰，周建輝

(1. 武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063；2. 武漢船舶職業技術學院，武漢 430050；3. 中國船舶研究設計中心，武漢 430064)

水潤滑軸承因具有綠色環保、節約資源和結構簡單等優點，廣泛應用于船舶和水下航行器中。但由于水的黏度較低，導致水潤滑軸承的承載能力較小，容易引起軸承異常磨損、振動和噪聲。

為提高軸承的潤滑性能，國內外學者提出采用表面織構技術(surface texture)對軸承內表面進行改性處理[1-4]，并利用試驗、成熟的有限元軟件或簡化的軸承模型對微凹槽軸承進行分析研究。文獻[5-6]研究了微凹槽界面形狀對軸承潤滑性能的影響，結果表明，矩形截面微凹槽潤滑效果明顯優于其他形狀截面；文獻[7]建立了二維CFD模型，研究發現，凹槽的數量越多和尺寸越小，其承載力就越大，但對摩擦因數影響較小；文獻[8]發現,在較低接觸壓力下,垂直于滑動方向的微凹槽具有更好的減摩能力。

基于以上研究成果，現分析微凹槽的深度、寬度、長度、布置位置及截面形狀5種因素對水潤滑軸承潤滑性能影響的顯著程度。

1 潤滑模型的建立

1.1 潤滑模型

微凹槽軸承潤滑模型如圖1所示。圖中：R和r分別為軸承內半徑和主軸半徑；O1和O2分別為軸承和主軸的圓心；e為偏心距；θ為偏位角；hmin和hmax分別為最小、最大膜厚；φ為從最大膜厚處開始的周向坐標；ψ和γ分別為微凹槽區域的周向起始角和周向布置范圍；Wt，Lt和Dt分別為微凹槽的寬度、軸向長度和深度；F為作用在主軸上的徑向載荷；n為轉速；Pt為微凹槽的跨距。

圖1 微凹槽軸承示意圖

基于文獻[9-10]介紹的軸承潤滑基本理論，建立水潤滑微凹槽軸承流-固耦合模型，其中軸承彈性變形采用柔度矩陣法求得，水膜壓力采用超松弛迭代法求解，計算過程中水膜壓力收斂精度為1.0×10-3。

1.2 模型驗證試驗

為驗證所建潤滑模型的正確性，設計了水潤滑微凹槽軸承板條試驗。試驗平臺采用某公司研發的JXH-C液體動壓滑動軸承試驗臺，其結構如圖2所示。

1—摩擦力傳感器；2—加載力傳感器；3—壓力傳感器；4—轉速傳感器；5—溫度傳感器；6—控制臺；7—直流電動機；8—三角帶

在實際工作過程中，主軸與軸承的接觸區主要集中在底部40°～60°范圍內。因此，為了保證微凹槽軸承板條能形成動壓潤滑，且考慮到試驗臺和織構加工技術的限制，故采用周向60°的軸承板條取代整體軸承進行試驗。板條基體采用6061鋁合金，板條內襯采用賽龍材料。試驗過程中板條布置在主軸上方，故加載力須計入板條和傳感器等的質量，共1 206 g。為了測量水膜壓力，在板條軸向對稱面內均勻布置3個HM91A-H1-2-V2-F1-W1壓力傳感器，間距為20°，量程為0～2 MPa，精度為0.025%。試驗板條設計2組，分別為無微凹槽板條和局部微凹槽板條。局部微凹槽板條是入口邊至周向30°范圍內均勻加工矩形截面軸向貫穿型微凹槽，微凹槽板條軸承的結構參數見表1。試驗過程中施加的徑向載荷為12 N，主軸轉速為300～1 400 r/min，間隔100 r/min。

表1 軸承參數

徑向載荷12 N下，2組板條的摩擦因數f隨轉速的變化曲線如圖3所示。圖中A，B分別為無微凹槽和局部微凹槽兩曲線的拐點。

圖3 摩擦因數隨轉速的變化曲線

由圖3可知，當主軸轉速大于1 200 r/min時，無微凹槽板條進入動壓潤滑狀態；轉速大于1 300 r/min時，局部微凹槽板條進入動壓潤滑狀態。為了論證所建潤滑模型的正確性，在徑向載荷12 N，轉速1 400 r/min下進行試驗，測得2組板條軸向對稱面內的水膜壓力，并與仿真壓力分布對比，結果如圖4所示。

圖4 仿真與試驗水膜壓力

由圖4a可知，無微凹槽板條試驗壓力與仿真壓力的最大誤差為7.4%；由圖4b可知，局部微凹槽板條試驗壓力與仿真壓力的最大誤差為8.3%。由于存在模型誤差和測量誤差，導致試驗與仿真壓力不完全一致，但最大誤差均小于10%，滿足計算精度要求，證明了所建潤滑模型的正確性。

2 數值計算與分析

水潤滑微凹槽軸承的仿真計算以工作環境最為惡劣的下半軸承為對象，軸承結構參數見表1，內襯材料為賽龍，微凹槽間距固定為2 mm，軸承偏心率為0.3，主軸轉速為1 000 r/min。

經網格數量無關性檢驗，仿真計算網格數量采用周向400個，軸向50個的形式。

2.1 全微凹槽軸承正交仿真

為了分析微凹槽的深度、寬度、長度及截面形狀4種因素對水潤滑全微凹槽軸承潤滑性能影響的顯著程度，針對上述4種因素各選擇了3個因素水平，設計了4因素3水平的L9(34)正交表，見表2。微凹槽截面如圖5所示。根據正交表中的9種工況，分別仿真計算量綱一的承載力和摩擦因數，并對結果進行極差分析，繪制相應的效應曲線圖。

圖5 微凹槽截面

表2 全微凹槽軸承正交仿真因素及水平

2.1.1 承載力為正交仿真指標

水潤滑全微凹槽軸承量綱一的承載力和極差分析結果見表3，對應的效應曲線如圖6所示。

表3 全微凹槽軸承承載力和極差分析結果

(1)

(2)

由表3和圖6可知：

圖6 全微凹槽軸承中以量綱一的承載力為指標的效應曲線圖

1)全微凹槽的深度、寬度、長度及截面形狀4因素對水潤滑軸承承載力影響的顯著程度順序為：截面形狀>寬度>深度>長度。

2)當水潤滑下半軸承采用全微凹槽時，提高軸承承載力效果最好的微凹槽結構參數組合為深度50 μm，寬度800 μm，長度100 mm，矩形截面。仿真計算得到最佳組合時的量綱一的承載力為0.236，大于表3所示的所有承載力。

3)就提高軸承承載力而言，微凹槽深度效果最好的是50 μm，其次為30,70 μm；在間距2 mm不變的情況下，微凹槽寬度效果最好的是800 μm，最差的是400 μm；微凹槽長度效果最好的是100 mm，最差的是40 mm；微凹槽截面效果最好的是矩形界面，最差的是三角形截面，這與文獻[5-6]的結論一致。

2.1.2 摩擦因數為正交仿真指標

以水潤滑全微凹槽軸承摩擦因數為正交仿真指標的效應曲線如圖7所示。

圖7 全微凹槽軸承中以摩擦因數為指標的效應曲線圖

由圖7可知：

1)全微凹槽的深度、寬度、長度及截面形狀對摩擦因數影響的顯著程度順序為截面形狀>寬度>深度>長度。

2)減小水潤滑下半軸承摩擦因數效果最好的微凹槽結構參數組合為深度50 μm，寬度800 μm，長度70 mm，矩形截面。微凹槽最佳組合時的摩擦因數仿真結果為0.055 1，小于圖7中的所有摩擦因數。

3)微凹槽深度為50 μm時的摩擦因數最小，深度為70 μm時最大；在間距2 mm不變的情況下，微凹槽寬度為800 μm時的摩擦因素最小，寬度為400,600 μm時的較大；微凹槽長度為70 mm時摩擦因數最??；微凹槽截面為矩形截面時的摩擦因數比三角形截面和圓弧形界面的小，這與文獻[5-6]的結論一致。

對比圖6和圖7可知，微凹槽的深度、寬度、長度及截面形狀對軸承承載力和摩擦因數影響的顯著程度一致，但微凹槽提高軸承承載力和降低軸承摩擦因數的最佳參數組合并不一致。

2.2 局部微凹槽軸承正交仿真

為了分析微凹槽的深度、寬度、長度、截面形狀及布置位置5種因素對水潤滑局部微凹槽軸承潤滑性能影響的顯著程度，設計了5因素3水平的L18(35)正交表，見表4。微凹槽布置位置如圖8所示。對正交表中的18種工況下量綱一的承載力和摩擦因數進行仿真計算，并對結果進行極差分析，繪制相應的效應曲線圖。

圖8 微凹槽布置位置

2.2.1 承載力為正交仿真指標

水潤滑局部微凹槽軸承承載力和極差分析結果見表5。對應的效應曲線如圖9所示。

表5 局部微凹槽軸承承載力和極差分析結果

圖9 局部微凹槽軸承以量綱一的承載力為指標的效應曲線圖

由表5和圖9可知：

1)局部微凹槽的深度、寬度、長度、截面形狀及布置位置5因素對軸承承載力影響的顯著程度順序為截面形狀>布置位置>長度>深度>寬度。

2)當水潤滑下半軸承采用局部微凹槽時，提高軸承承載力效果最好的微凹槽結構參數組合為深度70 μm,寬度400 μm,長度70 mm,三角形截面,布置位置入口60°。仿真計算得到最佳組合時的量綱一的承載力為0.395，大于表5中所有量綱一的承載力。

3)微凹槽深度為70 μm時的承載力比深度為30，50 μm時的大；在微凹槽間距為2 mm的情況下，微凹槽寬度為400 μm時的承載力最大，深度為800 μm時的承載力最??；微凹槽長度為70 mm時的承載力最大；微凹槽截面形狀中，矩形和三角形截面相較圓弧截面承載力要大；微凹槽布置在入口及中間時的承載力大于微凹槽布置在出口時的承載力。

2.2.2 摩擦因數為正交仿真指標

以摩擦因數為正交仿真指標時的效應曲線如圖10所示。

圖10 局部微凹槽軸承以摩擦因數為指標的效應曲線圖

由圖10可知：

1)局部微凹槽的深度、寬度、長度、截面形狀及布置位置對摩擦因數影響的顯著程度順序為截面形狀>布置位置>深度>長度>寬度。

2)減小水潤滑下半軸承摩擦因數效果最好的微凹槽結構參數組合為深度70 μm,寬度400 μm,長度70 mm,三角形截面,布置位置入口60°。仿真計算得到最佳組合時的摩擦因數為0.036 2，小于圖10所示的所有摩擦因數。

3)在微凹槽深度中，減摩效果最好的是70 μm；在微凹槽間距為2 mm的情況下，微凹槽寬度減摩效果最好的是400 μm，最差的是800 μm；微凹槽長度減摩效果最好的是70 mm，其次為40 mm；矩形截面和三角形截面微凹槽減摩效果最好；微凹槽布置在入口時局部微凹槽軸承摩擦因數最小，布置在出口時摩擦因數最大。

對比圖9和圖10可知，微凹槽的深度、寬度、長度、截面形狀及布置位置對軸承承載力和摩擦因數影響的顯著程度不完全一致，微凹槽提高軸承承載力和降低軸承摩擦因數的最佳參數組合也不一致。

3 結論

1)對于全微凹槽軸承，微凹槽參數對軸承承載力和摩擦因數影響的顯著程度為：截面形狀>寬度>深度>長度。

2)對于局部微凹槽軸承，微凹槽參數對軸承承載力影響的顯著程度為：截面形狀>布置位置>長度>深度>寬度，織構參數對軸承摩擦因數影響的顯著程度為：截面形狀>布置位置>深度>長度>寬度。

本研究對于完善水潤滑微凹槽軸承的設計提供參考，但由于僅考慮了單個偏心率和微凹槽間距，并未考慮偏心率和微凹槽間距的綜合作用，在未來的研究中有待進一步完善。