靜動壓軋機油膜軸承靜壓特性的研究

郭 強，王顏輝

(1.太原重型機械集團有限公司油膜軸承分公司，山西 太原 030024；2.山西能源學院 機電工程系，山西 晉中 030600)

0 前言

靜動壓油膜軸承是在液體動壓潤滑軸承和液體靜壓軸承的基礎上發展起來的新型油膜軸承[1]。靜動壓油膜軸承是一種兼有兩者優點的軸承，其正常工作的速度范圍較大，能夠充分利用油膜的動壓效應。

靜動壓油膜軸承的靜壓油腔大小以及幾何形狀，軸承偏心率，靜壓供油流量、潤滑油粘度等參數都會對軸承的靜壓特性存在影響，通過研究靜動壓油膜軸承不同的靜壓潤滑系統以及一些參數對其靜壓特性的影響，對靜動壓油膜軸承的理論研究和設計均有較大的指導意義。

1 靜動壓軸承的結構特點和工作原理

靜動壓軸承在結構上與靜壓軸承、動壓軸承不同。靜動壓軸承配備兩套供油系統，低壓油通過軸承的動壓油腔進入到軸承，而高壓油則進入靜壓油腔。靜動壓油膜軸承是具備靜壓、動壓雙重特性的液體滑動軸承。靜動壓油膜軸承的結構如圖1所示，在油膜軸承的襯套上開設橢圓形截面的靜壓油腔，通過靜壓供油系統通入潤滑油，由于油膜軸承潤滑油粘度很高，當潤滑油從軸承間隙流出時，間隙很小，潤滑油液阻很大，會在出流縫隙中產生壓力分布，在特定的區域內形成的高壓潤滑油來平衡外載荷。

圖1 靜動壓油膜軸承結構圖

靜動壓油膜軸承的工作原理：當軸承速度很低時，軸承的動壓效應不明顯，此時靠靜壓油腔處的高壓油來平衡外部載荷，當軸承速度增加時，此時軸承的動壓效應提升，動壓承載能力增大，此時軸承的動壓效應起主要承載作用，充分利用了軸承的動壓特性。

2 靜動壓油膜靜壓承載特性

當靜動壓油膜軸承處于穩態運行時，軸承的動壓特性和靜壓特性共同作用下平衡外部載荷，油膜軸承的油膜壓力分布可以用穩態雷諾方程來描述。即

(1)

式中，Ps為靜壓油腔外緣的壓力；P0為靜壓油腔壓力；RS為靜壓油腔外的相應液阻；hs為在油腔的垂直于相對滑動方向邊緣處的油膜厚度；Γ為軸承流體出口邊界；Ω為軸承靜壓油腔邊界；η為軸承潤滑油的動力粘度；v為軸頸的線速度。

從式(1)中可以看出，靜動壓油膜軸承靜壓油腔處的壓力分布和油腔的幾何形狀、潤滑油粘度、軸承運行時的偏心率等參數有關，為了能夠得到靜動壓油膜軸承的靜壓特性，需要對式(1)中的偏微分方程進行求解。通常需要將該偏微分方程通過數值分析方法通過差分形式轉化為代數方程形式求解[2]。隨著計算流體動力學的發展，可以采用CFD仿真計算方法來對靜動壓油膜軸承的靜壓特性進行研究。從而達到提升計算效率的目的，同時利用CFD的后處理技術，實現靜動壓油膜軸承靜壓區域壓力分布的“可視化”。

3 CFD仿真分析的前處理

CFD仿真計算采用的方法屬于有限體積法，在有限體積法中將所計算的區域分成一系列控制體積，每個控制體積都有一個節點做代表，通過將守恒型的控制方程對控制體做積分來導出離散方程。在導出過程中，需要對界面上的被求函數本身及其一階導數的構成做出假定，這種構成方式就是有限體積法中的離散格式。用有限體積法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而離散方程系數物理意義明確，是目前流動與傳熱問題的數值計算中應用最廣泛的一種方法。

為了準確描述出靜動壓油膜軸承的靜壓特性，需要對其計算域進行建模，圖2為靜動壓油膜軸承流體域模型，該靜動壓油膜軸承規格為1030-76WJJ油膜軸承，同時考慮到后續需要研究靜動壓耦合特性，因此在流體域建模時加入了動壓進油口結構。并對流體域模型邊界條件進行了設置。

圖2 靜動壓油膜軸承流體域模型

(1)A曲面為靜動壓油膜軸承動壓供油流量入口，由于重點關注靜動壓軸承的靜壓特性，因此該處的邊界條件可以設置為固定壁面邊界或者速度為0的速度入口邊界。

(2)B為靜壓供油入口曲面，根據靜壓供油采用的系統，當采用的靜壓供油系統為恒流量供油方式時，邊界條件設置為流量入口邊界；當供油系統為恒壓力供油方式時，該曲面處邊界設置為壓力入口邊界條件。

(3)C處為軸承動壓特性的壁面條件，由于僅研究靜動壓油膜軸承的靜壓特性，可以設定此處邊界條件為固定壁面邊界。

(4)D是出口邊界條件，設置出口邊界條件為壓力出口邊界條件，壓力值設置為0。

(5)E區域邊界條件設定為固定壁面邊界條件。

由于靜動壓油膜軸承整個流體域在穩定運行時不存在大的流速波動，因此可以認為流體域求解計算滿足層流條件。求解器選擇分離求解器。通過對不同的靜壓供油方式來研究靜動壓油膜軸承在參數變化時靜壓特性的響應，為靜動壓油膜軸承的設計提供理論指導。

4 恒流量供油系統下靜動壓油膜軸承的靜壓特性

靜動壓油膜軸承恒流量供油系統，采用該系統時軸承各油腔分別連接流量相同的油泵，油泵將恒定流量的潤滑油送入到靜壓油腔，潤滑油在各油腔內形成高壓油膜平衡外載荷。根據流體的連續性方程可知，油泵輸出的潤滑油流入軸承油腔的流量等于軸承向外流出的流量，軸承靜壓油腔的供油流量表達式為

(2)

式中，Q為軸承一個油腔向外流出的流量；h為軸承軸套與軸頸之間的間隙值；PR為靜壓油腔壓力；θ1為油腔周向包角的1/2；b1為徑向軸承周向油封面寬度；l為徑向軸承油腔長度；C1為徑向軸承軸向油封面寬度；

從式(2)可知靜動壓油膜軸承的靜壓特性和供油流量、軸承間隙等參數相關，根據靜動壓油膜軸承的實際使用情況，設定恒流量供油系統的潤滑油流量為0.03 kg/s。由于潤滑油的粘度直接影響到軸承的靜壓特性，靜動壓油膜軸承的潤滑油選擇的牌號為VG 680，即潤滑油的運動粘度為680 mm2/s，根據式(3)，帶入潤滑油密度890 kg/m3。

μ=ρv

(3)

式中，μ為潤滑油的動力粘度，Pa·s；ρ為潤滑油密度，kg/m3；v為潤滑油運動粘度，m2/s；

可以求得潤滑油的動力粘度為0.605 2 Pa·s。

從公式(2)中可以看出，靜動壓油膜軸承特性和hs相關，對該參數的影響是通過靜動壓軸承穩定運行時的偏心率決定的，軸承的偏心率是由軸承的轉速和載荷共同決定的，當軸承載荷較小時，此時軸承可以處于較厚的油膜狀態，軸承偏心率低。當軸承載荷較大，轉速也較低時，為了能夠提高承載，此時油膜厚度變薄，軸承偏心率變大。因此靜動壓油膜軸承的偏心率隨著軸承轉速和載荷在不斷變化，因此需要研究一個區間范圍內的偏心率對靜動壓油膜軸承靜壓特性的影響。由于靜動壓油膜軸承的載荷較大，轉速相對較低，因此其運行狀態時的偏心率處于較高的狀態，通常偏心率在0.9以上[3]，因此重點研究偏心率0.9～0.99區間的靜動壓油膜軸承的靜壓特性。

圖3為軸承偏心率在區間0.9、0.93、0.96、0.98變化時，恒流量供油系統下，軸承靜壓區域處的壓力分布圖，隨著軸承的偏心率增大，軸承間隙值減小，液體液阻增大，靜壓油腔處的壓力增加。從靜壓壓力分布云圖可以看出，靜壓油腔的有效承載面積，它并不是靜動壓軸承靜壓油腔本身的面積，而是一個大于油腔面積的值[4-5]，它還包括了潤滑油流出油腔的壓力分布，壓力油的分布區域范圍大于靜壓油腔面積本身。同時可知隨著軸承偏心率的增加，靜動壓油膜軸承的有效承載面積在減少。表1為靜動壓油膜軸承在恒流量供油系統下不同偏心率時靜壓油腔最高壓力和承載能力值。

圖3 不同偏心率時靜壓壓力分布圖

表1 恒流量供油時不同偏心率時靜壓油腔最高壓力和承載能力值

從計算中可以看出，隨著軸承偏心率的增大，恒定流量下軸承靜壓油腔壓力增加，承載能力增大，但是軸承的壓力值同樣也受限于靜壓供油系統，當軸承的壓力值大于150 MPa時，考慮到高壓管路的制造難度以及安全性，此時通過設置減壓閥來降低油腔處壓力，確保軸承的安全運行。圖4為恒流量供油系統時，靜動壓油膜軸承在不同偏心率時的靜壓油腔最大壓力和承載能力曲線，可以從圖中得出，當靜動壓油膜軸承靜壓供油流量為0.03 kg/s，軸承偏心率接近0.96時，靜壓承載達到最大值，當軸承偏心率大于0.96時，由于靜壓供油系統減壓閥的啟動，軸承油腔壓力會減小，承載能力將不再增加。

圖4 軸承偏心率和靜壓油腔最大壓力、軸承承載能力關系曲線

5 恒壓力供油系統下靜動壓油膜軸承的靜壓特性

當靜動壓油膜軸承采用恒壓力供油系統時，為了能夠起到自動調節靜動壓油膜軸承各靜壓油腔的壓力值，通常都配備有節流器。當軸承靜壓供油系統開始工作時，會從油泵輸出具有一定壓力的潤滑油通過各個節流器進入靜壓油腔，通過產生的高壓力油來平衡外載荷。

在計算時，對于恒壓力供油系統，入口邊界設置為壓力入口，壓力值設置為150 MPa，該數值為靜壓系統的極限壓力。分別對偏心率0.9～0.99時靜動壓油膜軸承的流體域進行計算，圖5為軸承偏心率0.9和0.99時靜動壓油膜軸承壓力分布對比圖，從壓力分布的對比圖可以看出，隨著軸承偏心率的增加，靜壓油腔之間連通區間的的壓力區域在減少，軸承的壓力分布區域面積也在降低，軸承靜壓油腔處的最高壓力相等。

圖5 0.9、0.99偏心率時軸承靜壓區域壓力分布

圖6為150 MPa供油壓力時，靜動壓油膜軸承不同偏心率時的承載能力，從曲線中可以得出，采用恒壓力供油系統時，軸承隨著偏心率的增加，承載能力下降，主要原因為恒壓力供油時，隨著軸承偏心率的增加，軸承間隙降低，潤滑油液阻增大，從而使供油系統損失部分功率，導致承載能力下降。

圖6 恒壓供油偏心率和承載能力關系曲線

圖7為不同偏心率時，恒壓力供油系統所需流量曲線，當軸承偏心率0.9時，滿足150 MPa供油壓力時，需要的供油流量為0.131 8 kg/s，此時的流量為定流量供油系統的4.39倍，當軸承偏心率較低時，采用較大的供油壓力會導致靜壓供油的流量大量增加，因此采用恒壓力供油系統時，需要對供油壓力進行選擇。為了保證恒壓力供油系統的經濟性和軸承運行時的穩定性，需要加入節流器，通過設計合適的節流器參數，確定軸承的供油壓力值，使靜動壓油膜軸承的性能達到最佳。

圖7 恒壓供油時軸承偏心率和供油流量關系曲線

6 結論

(1)靜動壓油膜軸承靜壓特性對軸承偏心率這一參數比較敏感，因此設計靜動壓油膜軸承時，需要根據軸承的實際工況，在軸承運行時的偏心率范圍內選擇合適的參數，更加充分發揮靜動壓油膜軸承的優勢。

(2)靜動壓油膜軸承選用恒流量供油系統時，軸承的壓力會隨著載荷(偏心率)變化，因此相比恒壓力供油系統，功率消耗較小。

(3)當靜動壓油膜軸承靜壓管路采用恒壓力供油系統時，需要通過設計節流器結構對供油壓力進行設定，使靜動壓油膜軸承的性能達到最佳。