潤滑油水侵對動壓可傾瓦推力軸承潤滑性能的影響*

魏士杰 李思晗 李鵬哲 胡文文 劉雨薇 賈 謙，3

(1.中國航發西安動力控制科技有限公司設計研究所 陜西西安 710077；2.西安交通大學城市學院機械工程系陜西西安 710018；3.西安交通大學城市學院，機器人與智能制造陜西省高校工程研究中心 陜西西安 710018)

動壓可傾瓦推力滑動軸承經常工作于高速、重載等較為極端的工況條件下，其依靠軸瓦和推力盤間形成的幾十微米至幾百微米的潤滑油膜承擔巨大的軸向載荷[1-2]。使用動壓可傾瓦推力軸承的重大裝備很多，例如核主泵、燃氣輪機、大型艦船等[3-4]。尤其對于大型推力軸承來說，由于其所在軸系的運動狀態復雜，常伴有振動及傾斜等特殊工況，潤滑問題不僅關乎推力軸承的壽命也關乎使用的安全性，成為推力軸承性能分析的重要指標[5-6]。與潤滑相關的軸承靜特性和動特性參數一直是分析和評價推力軸承使用性能的主要指標[7]。近年來隨著國家支持力度的增加，重大裝備不斷涌現，與之相關的推力軸承研究與應用也變得更加的廣泛。王瑞等人[8]建立了石墨水潤滑可傾瓦推力軸承模型，采用摩擦副粗糙度作為衡量指標計算了理論起飛轉速，并與起飛轉速臺架試驗結果進行了對比。閆崗等人[9]設計了一種超導磁力與靜壓流體力相復合的推力軸承，采用解耦的方法分析復合軸承的剛度等性能指標,并進行了優化。王建磊等[10]建立了水潤滑推力軸承設計知識庫，以實現設計知識的獲取和調用，給出了某立式軸系水潤滑推力軸承的設計實例，并基于多源知識的設計方法得到了該軸承的設計流程圖。王報龍等[11]、王瑞[12]針對船舶可傾瓦推力軸承在實際運行過程中存在的軸系傾斜問題，建立了傾斜狀態下可傾瓦推力軸承熱彈流體動壓潤滑計算模型，研究了傾斜狀態對可傾瓦推力軸承靜動特性的影響。張帆等人[13-15]建立了平衡梁支承和碟簧支承2類核電可傾瓦推力軸承承載和潤滑性能分析模型，揭示了軸承-推力盤相對傾斜下的多瓦自適應承載機制。OUYANG等[16-17]建立了半尺寸軸承試驗平臺，為核主泵推力軸承的研制提供了試驗技術參考。

本文作者針對核主泵、船用軸系等特定工況下推力軸承潤滑油的進水問題，以46潤滑油和68潤滑油為例，通過實測的方法獲得了潤滑油含水后的黏度值，并代入推力軸承性能計算模型，進而獲得了潤滑油水侵對動壓可傾瓦推力軸承潤滑性能的影響。

1 動壓可傾瓦推力軸承的結構和使用工況

文中的研究對象為動壓可傾瓦推力軸承，該推力軸承具有平衡塊支撐的特殊結構，如圖1所示。推力軸承主要由扇形推力瓦塊、上平衡塊、下平衡塊及支點等部分組成，軸承依靠推力瓦塊與推力盤之間形成的動壓潤滑膜來承載。這種結構的優點在于當轉子傾斜時軸承的高低會根據杠桿原理而自我調節，不會產生受力的不均，也就說具有均載效應。

文中研究的這種重載可傾瓦推力軸承的一個典型應用為核主泵立式軸系和船用驅動軸系。核主泵是核電站的心臟，其主要功能就是驅動核島內高放射性高溫高壓水或者氣體進行循環，將反應堆芯核裂變的熱能傳遞給蒸汽發生器產生蒸汽等，從而推動汽輪機發電。一個核電站內有多個主泵，圖 2(a)所示為第四代核電高溫氣冷堆的氦風機主泵的軸系結構。該軸系有4個軸承，其中包含1個可傾瓦動壓雙向推力軸承。該軸系的額定轉速為1 800 r/min，推力軸承工作的最高溫度為80 ℃，最大載荷為500 kN，瓦塊外徑為1 200 mm，內徑為500 mm。重載可傾瓦推力軸承的另一個典型應用是艦船的驅動軸系，如圖2(b)所示。艦船驅動軸系一般含有4個軸承，其中包含1個推力軸承、2個徑向軸承和1個橡膠艉軸承。

由于船舶工作在不同的推進轉速下，并由此產生不同推力，使得推力軸承工作在變工況環境下。該類軸系的最大工作轉速為300 r/min，軸承載荷為5 000 kN，軸承瓦塊外徑為2 000 mm，瓦塊內徑為1 000 mm。

2 考慮潤滑油含水的推力軸承潤滑性能計算方法

2.1 潤滑油含水后的物性表征

潤滑油的物理性能指標一般包括密度ρ、比熱容c、導熱系數k、運動黏度γ、動力黏度μ等，從軸承的潤滑理論計算的角度來說，ρ、c和μ對潤滑性能的計算結果影響最為顯著。文中所研究的情況是潤滑油水侵，根據統計對于文中研究的這種重載可傾瓦推力軸承，所使用的潤滑油牌號一般為46和68潤滑油，在使用時被水入侵后的含水量最多可達到1.0%(質量分數)。由于潤滑油本身密度就和水相差不大，所以含水后對ρ影響不大。含少量水后，潤滑油μ和c會產生一定變化，且相比較而言，μ的變化更加明顯。因此，文中在分析潤滑油含水的物性時，主要考慮的是其對μ的影響。

首先，采用石油產品運動黏度測試的相關標準GB/T 265對46和68潤滑油在含水0.5%和1.0%(質量分數)后不同溫度下的運動黏度進行了測試，測試結果如表1所示。可以看出，潤滑油的運動黏度會隨著含水量的增加而減小，并且潤滑油的黏度越大這種影響越明顯。

表1 潤滑油運動黏度值隨水分質量分數的變化

運動黏度表示液體在重力作用下流動時內摩擦力的量度，其值為相同溫度下的動力黏度μ與其密度ρ之比，所以可以根據式(1)獲得含水后潤滑油在不同溫度下的動力黏度值，如圖3所示。

μ=ρ·γ

(1)

從圖3中可以看出，不論潤滑油是否含水，潤滑油的動力黏度μ值均隨著溫度的升高而迅速降低，降低的幅度較大。而含水后潤滑油的μ值會有一定程度的降低，且隨著油溫t的升高，含水的影響將降低。對于文中研究的潤滑油和軸承的使用工況來說潤滑油的動力黏度和溫度存在式(2)所示的經驗公式。

μ=A·eB/(t+C)

(2)

式中：A、B、C為常數；t為潤滑油溫度。

由此，根據圖3中的潤滑油動力黏度隨溫度變化的曲線即可獲得46、68潤滑油在含水后的黏溫方程，用于推力軸承的潤滑理論計算。

對于文中研究的推力軸承，潤滑劑的雷諾數Re小于2 000時屬于層流潤滑工況，Re大于4 000時則屬于湍流潤滑工況。流體的Re可根據計算公式(3)計算得到。

Re=ρvd/μ

(3)

式中：v為流體的流速，可以通過試驗測得；d為管子的內徑。

在40 ℃時，46潤滑油和68潤滑油的Re分別為45和61，屬于層流狀態，純水在40 ℃時Re為12 034屬于湍流狀態。根據油和水的物性差異，在進行潤滑分析時，油和水組成液膜的潤滑狀態的確定相比于傳統的單一油潤滑或水潤滑也應不相同。文中研究的潤滑油含有微量水，水占的比例僅為0.5%和1.0%(質量分數)，此時的Re為1 000左右，在進行潤滑分析時仍按照層流來考慮。

2.2 推力軸承潤滑性能的計算方法

推力軸承潤滑性能計算的基本方程包括雷諾方程、液膜厚度方程、潤滑液黏溫方程和液膜能量方程等，等溫假設時不考慮能量方程和黏溫方程。如圖4所示，取一參考平面與推力盤平面平行，兩平面相距hc，設瓦擺動后瓦平面與參考平面的交線為P，P線過坐標原點O。γP為擺動后瓦平面與參考平面之間的夾角，此時的潤滑膜厚度h為

h=hc+rsin(θP-θ)sinγP

(4)

式中：θP是P的位置角；γP很小，所以sinγP≈γ。

設最小潤滑膜厚度位于(rmin,θmin)，由式(4)得最小液膜厚度hmin為

hmin=hc+γPrminsin(θP-θmin)

(5)

液膜二維能量方程如式(6)所示，Γ為瓦面的邊界，Γ的邊界條件為如式(7)所示。

(6)

(7)

(8)

Pf=Mfω

(9)

可傾瓦平衡塊支撐的推力軸承的計算流程如圖5所示。圖中的流程包括有3層迭代，分別是液膜壓力場迭代、軸瓦承載力迭代以及瓦塊平衡位置迭代。

3 潤滑油水侵對推力軸承潤滑性能的影響分析

3.1 對推力軸承基本潤滑性能的影響

文中選取了一組典型的核主泵推力軸承工況和結構參數，如表2所示?？梢钥闯觯摵酥鞅猛屏S承所在軸系的額定轉速n為1 800 r/min，額定載荷W為500 kN，推力軸承為帶平衡支撐的可傾瓦軸承，瓦塊的數量為8塊。

表2 核主泵推力軸承工況及結構參數

根據表2中的推力軸承工況和結構參數，利用圖5中所示的推力軸承計算流程，通過計算獲得了推力軸承使用46、68潤滑油時的潤滑性能，如圖6所示，潤滑性能包括最小油膜厚度hmin、潤滑油溫升ΔT、潤滑油流量Q和軸承功耗W。圖6(a)所示為最小油膜厚度hmin隨潤滑油含水量的變化。可以看出，采用68潤滑油潤滑時推力軸承的hmin大于采用46潤滑油時，這是由于68潤滑油的黏度大于46潤滑油。當潤滑油含水后，hmin隨著含水量的增加而減小，減小的程度較為明顯，例如46潤滑油含水0.5%、1.0%(質量分數)時的hmin分別為不含水時的85.6%和64.0%。圖6(b)所示為潤滑油溫升ΔT隨潤滑油含水量的變化。當潤滑油含水后，ΔT隨著含水量的增加而增大，但是增大的幅度不大，46潤滑油含水0.5%、1.0%(質量分數)時的ΔT分別為不含水時的1.04倍和1.06倍。圖6(c)所示為潤滑油流量Q隨潤滑油含水量的變化。當潤滑油含水后，Q隨著含水量的增加而減小，減小的幅度不大，46潤滑油含水0.5%、1.0%(質量分數)時的Q分別減小為不含水時的91.1%和84.6%。圖6(d)所示為推力軸承功耗W隨潤滑油含水量的變化。當潤滑油含水后，W隨著含水量的增加而降低，降低的幅度較為明顯，46潤滑油含水0.5%、1.0%時的W分別降低為不含水時的88.8%和59.9%。

3.2 對推力軸承起飛轉速的影響

文中研究的推力軸承軸系在啟動時，當轉子升速到一定轉速時推力軸承形成的潤滑油膜會使得推力盤與軸承瓦面完全地脫開，并形成比較完整的流體動壓潤滑膜。此時推力軸承就可以對軸系進行有效地潤滑和支撐，這一轉子轉速稱為起飛轉速，該轉速下對應的潤滑膜膜厚就稱為“起飛膜厚”。起飛膜厚一般與軸承與軸瓦接觸面的摩擦副有關，完整潤滑膜必須保證膜厚大于推力軸承和推力盤2個表面的粗糙度之和的若干倍，文中起飛膜厚取15 μm。通過計算獲得了轉速為10、50、100、500、1 000和1 800 r/min時的最小潤滑膜厚度值hmin計算值，如圖7所示?？梢钥闯?，隨著轉速的升高推力軸承的hmin逐漸增加，潤滑油含水后的hmin小于不含水時，且隨含水量增加而減小，46潤滑油由于黏度低于68潤滑油，所以使用46潤滑油時的hmin均低于相同狀況下使用68潤滑油時。從起飛轉速來看，2種潤滑油在不含水和含水0.5%(質量分數)時的起飛轉速都在50 r/min以下，含水1.0%(質量分數)時起飛轉速都在50 r/min以上。

4 結論

(1)通過黏度測試獲得含水量為0、0.5%、1.0%(質量分數)時的運動黏度，采用黏溫曲線對潤滑油含水前后的動力黏度進行了表征，發現潤滑油黏度隨著含水量的增加而降低。

(2)計算獲得含水量0.5%和1.0%(質量分數)時推力軸承的靜態特性參數，發現潤滑油含水后對最小油膜厚度和功耗的影響較大，對溫升和流量的影響較小。

(3)推力軸承使用46和68潤滑油時在潤滑油不含水和含水0.5%(質量分數)時的起飛轉速都在50 r/min以下，含水1.0%(質量分數)時起飛轉速都在50 r/min以上。