考慮氣穴效應的螺旋槽滑動軸承潤滑性能研究*

奚圣賢 ， 陳 宇 ， 于慶龍 ， 肖宇婷

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001）

大型旋轉機械是以轉子-軸承系統為工作主體的機械裝備，在電力、航空、機械、化工等領域中起著重要的作用?；瑒虞S承作為支撐旋轉機械的主要形式，具有承載能力大、耐沖擊、抗震好等優點，被廣泛應用于旋轉機械中。隨著旋轉機械在大型化和重載化環境下工作頻率的增加，對于滑動軸承支撐性能和穩定性要求也不斷提高，但是隨著對傳統滑動軸承的深入研究，發現在傳統滑動軸承動力特性分析中，軸與軸承之間充滿的為理想潤滑油，忽略了空化效應對滑動軸承穩定性、承載能力等性能參數的影響。然而，空化現象的存在會造成承載能力下降、軸承使用壽命縮短[1-2]。因此，考慮空化效應下的滑動軸承油膜的動力特性研究具有重要的意義。

針對滑動軸承動力特性問題，國內外眾多學者進行了相關研究。例如，Vincent等[3]利用數值方法研究了氣液兩相流對滑動軸承壓力的影響，得到氣液兩相流下壓力分布情況。Guo等[4]考慮氣穴效應下，應用Reynolds方程進行浮動襯套軸承的穩定性計算。Sfyris和Chasalevris[5]在忽略粗糙度的前提下，采用數值方法研究了氣穴現象對滑動軸承潤滑能力的影響。Liu和Li等[6]研究了氣穴效應對高速滑動軸承承載性能的影響，并進行了試驗對比分析。雖然以上的研究方法與傳統計算方法相比，更為準確地研究了滑動軸承的動力特性，但研究對象為高速輕載滑動軸承，不能滿足大型低速重載滑動軸承的使用需求。因此,大型低速重載軸承動力特性的研究對滑動軸承設計工作具有重要的意義。

本課題組針對以上研究情況，基于流體動力學理論和摩擦學相關理論，建立了一種大型重載滑動軸承的兩相流計算學模型。為了準確研究軸承動力特性，將數值仿真計算結果與文獻[7]相對比，驗證了仿真模型的有效性。在此基礎上，以高速重載壓力機支撐軸承為對象進行了穩定狀態下的動力特性研究。

1 數學模型

選取徑向滑動軸承為研究對象，滑動軸承系統示意圖如圖1所示。其中，X、Y、Z分別為軸承水平方向、豎直方向和寬度方向。外力F施加在軸上，軸以角速度ω軸向旋轉，從而可使軸與軸承之間油膜產生壓力以抵消施加在軸上的外載荷。由于被研究的滑動軸承是大型重載支撐軸承，同一般滑動軸承相比更容易發生變形和接觸，因此需要使用合理的方程對它的性能進行研究[8]。不考慮溫度因素對滑動軸承潤滑油膜流場的影響，并假設流動狀態為層流，油膜區域內的流體需要同時滿足質量方程和動量方程。

圖1 含間隙轉動副運動狀態圖

1.1 質量守恒方程

在進行計算流體動力學分析時，首先將流體區域劃分為有限個流體微團，再對每一個微團進行分析，將潤滑油視為不可壓縮流體，流場中各流體微團均須滿足連續性條件[9]，即質量守恒方程：

式中，ρ為潤滑油密度；為流體運動速度矢量。

1.2 動量守恒方程

除了滿足質量守恒方程之外，潤滑油運動同時也應該滿足動量方程[10]：

1.3 氣穴方程

由于發散間隙區域油膜壓力為非正值，這將導致油膜破裂從而發生氣穴現象，因此需要基于兩相流模型分析氣穴因素的影響。當流場壓力為負值時，液相潤滑油汽化為潤滑油蒸汽，同時也伴隨有潤滑油蒸汽凝聚為液相潤滑油的過程[11]。當油壓為飽和蒸汽壓力值時，兩相潤滑油的相互轉化達到動態平衡，各相成分值處于穩定值，氣穴方程如下：

式中，ρm為潤滑油混合物平均密度；為氣泡速度矢量；f是氣相質量分數；γ是有效交換系數；Re和Rc分別為氣穴的生產率和凝聚率。

2 軸承油膜壓力計算

為了提高計算的準確性，考慮氣穴現象對滑動軸承的性能影響，特作如下假設：因為軸瓦的變形較小，所以在計算時不考慮軸瓦的變形，認為滑動軸承油膜外表面是無限剛度的。軸與軸承間隙內部流場中，流體看成不可壓縮流體且流態為三維定常流動。忽略溫度的影響，假設計算模型在絕熱的條件下潤滑油的黏度是常數。潤滑油通過油口進入油腔內部，經計算得Re小于2 300，油腔內部為層流狀態。

為了對本課題組計算方法進行有效性分析，取與文獻[7]中相同的輸入參數，軸承的直徑為100 mm，寬度為50 mm，間隙為0.052 mm，轉速為600 rpm，潤滑油的黏度為0.048 Pa·s。如圖2所示為文獻[7]的實驗結果與本課題組計算結果的比較。通過對比發現，它們的壓力分布相同且數值相差很小，吻合度較好，這表明本課題組所述的計算方法能有效地進行滑動軸承系統性能的分析。

圖2 仿真與實驗結果對比

3 螺旋槽滑動軸承潤滑性能分析

為給大型低速重載滑動軸承的優化設計提供理論指導，研究中采用上述建模計算方法改變高速重載壓力機支撐軸承的轉速、偏心率等宏觀參數，針對這些參數對軸承承載能力和空化的影響規律進行研究，螺旋槽軸承潤滑系統相關參數如表1所示。

表1 軸承潤滑系統相關參數

3.1 離心率對軸承潤滑性能影響

如圖3所示，在轉速為600 rpm時，離心率與油槽個數對螺旋槽滑動軸承潤滑性能的耦合作用規律，從計算結果可以發現離心率的增加會引起螺旋槽滑動軸承承載力的增加。同時還可以發現，相同離心率條件下，油槽數量的增加會引起螺旋槽滑動軸承承載力的下降。螺旋槽滑動軸承承載力與油膜壓力分布和大小密切相關，由油膜最大壓力的變化曲線可以發現，油槽個數和離心率的增加都會引起油膜壓力大小的波動。此外，隨著油膜壓力與承載力的增加，軸承梯度角逐漸減小，這說明油膜支承力的位置隨之變化，逐漸向負載作用力的反向移動。隨著離心率的增加，軸承摩擦力矩逐漸增大，尤其在離心率為0.6至0.7區間內增長非常明顯。當離心率超過0.7后，摩擦力矩增加緩慢，逐漸趨于平穩狀態，而油槽個數的減少可以降低摩擦力矩的產生。

圖3 離心率對軸承潤滑特性影響

3.2 轉速對軸承潤滑性能影響

以離心率0.6為計算條件，如圖4所示為不同轉速（400 rpm，600 rpm，800 rpm，1 000 rpm）下，轉速與螺旋槽滑動軸承潤滑性能之間的耦合作用規律。在低轉速時，隨著轉速的增加，螺旋槽滑動軸承承載力與油膜壓力明顯增加，尤其是油槽數量較多的條件下。隨著轉速超過800 rpm，承載力和油膜壓力增長逐漸平緩。與不同離心率狀態下螺旋槽滑動軸承潤滑性能計算結果相似，油槽數量的增加會降低螺旋槽滑動軸承的承載力。從計算結果可以發現，隨著轉速的增加，軸承梯度角急劇下降，尤其是在轉速達到800 rpm后。這是由于轉速的增加促使油膜分布壓力及位置的改變，這將會引起最小油膜厚度位置的變化，從而改變油膜承載力的作用方向。從螺旋槽滑動軸承摩擦力矩變化曲線可以看出，隨著軸承油膜壓力的增大，其分子間相互作用力也逐漸增大，從而導致分子間相對運動更加激烈，摩擦力矩的改變會引起旋槽滑動軸承能量損失的變化。

圖4 轉速對軸承潤滑特性影響

4 結論

本課題組基于流體動力潤滑理論及多相流理論，建立了螺旋槽滑動軸承的多相流潤滑性能分析模型，將仿真計算結果與實驗測試結果相對比，驗證了本課題組所提出方法的有效性，并考慮了螺旋槽滑動軸承工作參數與結構參數的影響，相對分析了氣穴效應對螺旋槽滑動軸承動力學特性的影響，得出以下結論：

1）研究發現氣穴效應對螺旋槽滑動軸承的潤滑性能有很大影響，油槽個數對軸承承載能力的影響更是不可忽略的。因此，在研究滑動軸承性能時必須考慮氣穴的影響。

2）隨著偏心率的增加，梯度角逐漸減小，但油膜最大壓力和承載能力都逐漸增加。雖然隨偏心率的增加，軸承摩擦力矩增加，但增長速度較慢。由此可見，提高軸承的偏心率可以改善軸承的潤滑能力。

3）對不同參數條件下的油膜的動力特性模擬分析比較表明，油膜壓力的變化趨勢與軸承承載能力變化趨勢相似，油膜承載能力隨轉速的增大而增大，但是增大幅度逐漸趨緩。相對偏心率影響而言，隨著轉速的增加，軸承的摩擦力矩增長速度較快。