圓形彈性金屬塑料瓦推力軸承特性分析

李永海 武鼎超 孫向志 馬珅 沈健

摘 要：以中心點支承圓形彈性金屬塑料瓦為研究對象，依據潤滑理論，建立推力軸承數學模型，采用有限元軟件仿真分析，并對其潤滑性能進行數值模擬。結論表明，油膜壓力使瓦面產生凹變形，油膜溫度使瓦面產生凸變形，軸瓦整體變形為凹變形。根據軸瓦變形情況將軸瓦瓦面修型為進出油坡形厚度為0.05mm、長度為8mm的中凸形型面。相同工況下，最小油膜厚度隨著彈性復合層厚度的增加而減小，隨著鋼基層厚度的增加而增加。當彈性復合層加厚到10mm時最高油膜溫度出現峰值，不利于軸承散熱。鋼基層厚度改變對于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計。

關鍵詞：圓形彈性金屬塑料瓦;瓦面修型;數值分析;潤滑性能

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.016

中圖分類號： TH133.37

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0113-07

Abstract：The circular elastic metal-plastic pad supported by the center point is taken as the research object. Based on the lubrication theory， the mathematical model of thrust bearing is established. The simulation analysis is carried out by using finite element software， and the lubrication performance is simulated. The conclusion shows that the oil film pressure causes concave deformation of pad surface， the oil film temperature causes convex deformation of pad surface， and overall deformation of bearing bushing is concave. According to the deformation of bearing pad， the bearing pad surface is modified into a medium-convex surface with a slope thickness of 0.05mm and a slope length of 8mm. Under the same working conditions， the minimum oil film thickness decreases with the increase of elastic composite layer thickness and the minimum oil film thickness increases with the increase of steel base thickness. When the elastic composite layer is thicker to 10mm， the maximum oil film temperature appears peak value， which is not conducive to bearing heat dissipation. The change of steel base thickness has little effect on the maximum oil film temperature and the overall bearing temperature， which can be neglected.

Keywords：circular elastic metal plastic pad; modifying the shape of pad surface; numerical calculation; lubrication performance

0 引 言

彈性金屬塑料瓦（EMP瓦）因其材料結構又稱塑料瓦，適用于艦船傳動裝置、水輪發電機組和水泵機組等機械設備。塑料瓦最早出現在上個世紀七十年代的前蘇聯。1989年我國引進安裝后運行效果良好，隨后開始研制國產塑料瓦。塑料瓦根據其瓦面形狀的不同分為圓形塑料瓦和扇形塑料瓦。扇形塑料瓦推力軸承主要應用在大型水電機組上，屬于大型推力軸承;圓形塑料瓦推力軸承則大多應用在艦船的推進傳動系統中，屬于中小型推力軸承。

早在1985年，國外學者Abdel-Lati[1]就利用圓形瓦代替扇形瓦對軸瓦進行了熱流體動力分析。Ettles C M等[2]對塑料瓦與巴氏合金瓦做了對比實驗，得到大量實驗數據，據此提出了表面修型的必要性，其目的主要是便于啟動時初始油膜的形成。Chatterton S等 [3] 介紹了在國外工業應用中，可傾瓦推力軸承逐漸用聚四氟乙烯（PTFE）等聚合物材料代替了巴氏合金，改善軸承性能，延長軸瓦壽命，降低操作難度。我國學者也提出了許多區別于巴氏合金瓦推力軸承的塑料瓦軸承潤滑理論[4]。趙紅梅等[5]研究了采用托盤支撐的塑料瓦推力軸承的整體變形分析。張國賢等[6]通過實踐發現了出現在塑料瓦上的界面滑移現象。接著呂廣新等[7]推導出適用于滑移現象的雷諾方程。目前國內外學者針對塑料瓦進行了較充分的研究[8-11]，但研究對象大多為扇形塑料瓦推力軸承，對圓形塑料瓦推力軸承的研究較少。扇形塑料瓦與圓形塑料瓦相比，因其軸瓦形狀的改變而導致其承載能力、穩定性和支撐形式的選擇等特點都隨之變化[12-16]，且運用在艦船上的圓形塑料瓦的安全可靠性能對于艦船安全航行起到至關重要的作用，因此有必要對圓形塑料瓦做進一步的研究。

本文以中心點支承圓形彈性金屬塑料瓦推力軸承為研究對象，分析其摩擦學特性，對彈性金屬塑料瓦推力軸承特性研究的內容進行了補充。

1 理論分析與數學模型

1.1 理論分析

彈性金屬塑料瓦的結構是由自潤滑性能良好的聚四氟乙烯層、金屬絲層和鋼制瓦基層構成（釬焊層可忽略）。彈性金屬塑料瓦的制作是把成型的彈性復合層釬焊到鋼制瓦基上。彈性復合層是由聚四氟乙烯和金屬絲用高溫高壓成型的金屬塑料復合材料，其中彈性復合層的厚度約為6～10mm[17]，金屬絲層起到將聚四氟乙烯和瓦基鋼坯連接的作用。這種復合材料的新型軸瓦相對于傳統巴氏合金軸瓦來說，具有化學穩定性能好、摩擦系數小以及承載能力大等優點。由塑料瓦的結構特點，本文將彈性復合層近似看成一個整體來研究，即將彈性復合層近似為瓦面，其余為瓦體。

1.2 油膜厚度方程

油膜厚度的變化直接反映出軸瓦的變形量。按照設定的瓦面油膜形狀，計算每個單元節點上的油膜厚度值。油楔和瓦面油膜的幾何形狀如圖1所示。

從圖7中可以發現，隨著進出油坡形長度增加，最小油膜厚度呈現出先升高再下降的趨勢;而隨著進出油坡形厚度的增加最小油膜厚度則一直趨于下降的狀態，其曲面變化規律呈現出單峰性。

從圖8-9可以看出，隨著進出油坡形長度和厚度的增加，最大油膜壓力和最高油膜溫度均呈現出下降的趨勢。且它們沿進出油坡形厚度方向的變化趨勢要大于沿進出油坡形長度的方向。隨著進出油坡形長度的增加，最大油膜壓力和最高油膜溫度的變化情況為下降趨勢，且下降的程度趨于平緩，到了長度為8mm后，開始呈現出略微上升的趨勢。

根據潤滑理論可知，動壓滑動推力軸承工作中形成的油膜厚度越厚，則推力軸承承載能力越強，安全可靠性越高，因此本文將最小油膜厚度作為主要參考指標，同時兼顧其他潤滑性能參數，根據這個衡量標準來確定圓形塑料瓦最佳的修型尺寸。

當進出油坡形厚度為0.05mm、進出油坡形長度為8mm時，軸瓦的最小油膜厚度達到最大值。同時最大油膜壓力和最高油膜溫度均為最小值，因此將圓形塑料瓦的瓦面修型為進出油坡形厚度為0.05mm、長度為8mm的中凸型面，使之受載變形后為近似平面，提高推力軸承運行的可靠性，有利于補償磨損，減少燒瓦現象發生。

3.2 鋼基層厚度對潤滑性能的影響

圖10、11所示為，已知彈性復合層的厚度為6mm，軸瓦的負載比壓值為4MPa，軸承平均轉速為518r/min，鋼基層厚度分別為30mm、31mm、32mm、33mm、34mm時，軸承最小油膜厚度、最高油膜溫度的變化規律。

分析可知：隨著鋼基層厚度的增加最小油膜厚度也隨之增加。值得注意的是，隨著鋼基層厚度的增加最高油膜溫度大體呈現下降的趨勢，但變化的程度很小，幾乎不變。這是由于圓形塑料瓦彈性復合層具有良好的絕熱性能，圓形塑料瓦面的溫度難以經過彈性復合層傳遞至瓦體中。鋼基層厚度的改變對于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計。這說明鋼基體的存在可抑制軸瓦的熱變形，保證推力軸承的安全運行。

3.3 彈性復合層厚度對潤滑性能的影響

圖12、13所示為，彈性復合層厚度為6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，已知圓形塑料瓦的鋼基層厚度為30mm，且載荷與轉速等工況條件保持不變。軸瓦的負載比壓值為4MPa，軸承平均轉速為518r/min，軸承最小油膜厚度、最高油膜溫度的變化規律。

分析可知：隨著彈性復合層厚度的增加，最小油膜厚度呈下降的趨勢。根據潤滑理論可知，較小的油膜厚度不利于軸承的安全運行，因此彈性復合層不宜過厚。最高油膜溫度隨著彈性復合層厚度的增加呈上升的趨勢，當彈性復合層加厚到10mm時最高油膜溫度出現峰值，不利于軸承散熱。這說明彈性復合層越厚對推力軸承的潤滑性能越不利。

4 結 論

1）油膜壓力使瓦面產生凹變形，油膜溫度使瓦面產生凸變形且變形較小，軸瓦瓦面綜合變形為凹變形，而傳統的巴氏合金瓦推力軸承在工作時軸瓦瓦面會產生凸變形。圓形塑料瓦不良的凹變形會導致燒瓦事故的發生，因此必須要對圓形塑料瓦進行表面修型。

2）根據軸瓦變形云圖，為抵消圓形塑料瓦的不良變形，應將軸瓦瓦面形狀優化為“饅頭”形狀。考慮到實際加工情況，將軸瓦預加工成橫截面為梯形的軸瓦形狀。同時根據計算結果，選擇進出油坡形厚度最優值為0.05mm與長度最優值為8mm的瓦面修型尺寸。修型后可使工作時圓形塑料瓦瓦面型線為近似平面或微凸面，提高軸承潤滑性能及安全特性。

3）在相同比壓和轉速的工況下，最大油膜厚度隨著彈性復合層厚度的增加而減小，隨著鋼基層厚度的增加而增加。當彈性復合層加厚到10mm時最高油膜溫度出現峰值，不利于軸承散熱。鋼基層厚度的改變對于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計。

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（編輯：王 萍）