內螺紋織構深度對渦輪增壓器浮環(huán)軸承油膜動態(tài)特性的影響*

姜璟珺 楊 峰 劉澤中 賓光富

(1.湖南科技大學機電工程學院 湖南湘潭 411201；2.寧波豐沃渦輪增壓系統(tǒng)有限公司 浙江寧波 315336)

渦輪增壓器轉子-軸承系統(tǒng)最高工作轉速可達2.1×105r/min，屬于高速輕載型轉子。浮環(huán)軸承因其具有功耗低和穩(wěn)定性好的特點而被普遍使用于渦輪增壓器中。雖然浮環(huán)軸承具有諸多優(yōu)點，但在實際應用中人們發(fā)現(xiàn)浮環(huán)軸承會導致轉子產生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。隨著制造技術以及相關理論的發(fā)展，研究表明表面織構可以改善軸承油膜潤滑性能，提高軸承運行穩(wěn)定性[1]。KANGO和SHARMA[2]通過求解Reynolds方程研究橫、縱向織構粗糙度對滑動軸承摩擦性能的影響。王素華等[3]對目前軸和軸承上的常見表面織構形狀和分布方式進行了總結，推導出帶有織構的滑動軸承理論模型，以此來分析表面織構對滑動軸承潤滑機制的影響。蘇華和余志雄[4]建立溝槽-織構復合型滑動軸承性能數(shù)值分析模型,發(fā)現(xiàn)溝槽結構參數(shù)對織構型滑動軸承承載能力和摩擦特性存在較大影響。尹明虎等[5]對比分析了圓形、矩形等織構對徑向滑動軸承性能的影響。XIE等[6]建立考慮表面織構的數(shù)值模型，研究表面織構部分結構參數(shù)對水潤滑軸承性能的影響，并進行相關實驗驗證。

國內外學者系統(tǒng)分析了織構類型、位置等參數(shù)對軸承油膜特性的影響，證實了不同的織構參數(shù)會對油膜特性有所影響，在表面織構參數(shù)選取合理的情況下確實可以改善軸承的潤滑性能。然而表面織構的研究大多集中在普通滑動軸承，對于具備織構的浮環(huán)軸承研究鮮有報道。徐華團隊雖然研究了表面織構對浮環(huán)軸承油膜溫升、環(huán)速比等的影響[7-8]，認為織構能改變環(huán)速比使浮環(huán)能在低主軸轉速下啟動，但他們沒有對螺紋織構深度與浮環(huán)軸承油膜動態(tài)特性的關系進行深入分析。

針對內螺紋織構浮環(huán)軸承，本文作者推導了考慮織構深度的浮環(huán)軸承油膜動力學方程，基于Navier-Stokes方程，建立有、無內螺紋織構以及不同織構深度的浮環(huán)軸承三維流體力學模型，對比分析了織構深度的變化對浮環(huán)軸承油膜壓力、內外承載力、剛度、阻尼等動態(tài)特性的影響，為改善浮環(huán)軸承性能，提高浮環(huán)軸承運行穩(wěn)定性提供理論支撐。

1 考慮表面織構深度的油膜控制方程

浮環(huán)軸承通過位于旋轉軸頸與固定軸承座之間的浮環(huán)把油膜分為內外雙層油膜，在分析時可視為由2套滑動軸承進行分析，其結構如圖1所示。

圖1 浮環(huán)軸承結構剖面

根據(jù)滑動軸承潤滑理論，推出浮環(huán)軸承內外層油膜Reynolds方程[9]：

(1)

式中：Uj、Ur分別為兩軸承面在x方向的速度分量,Uj=ωjRj+ωrRr,Ur=ωrRr;hi、ho分別為浮環(huán)軸承內膜厚度和外膜厚度;μi、μo分別為潤滑油內、外油膜動力黏度。

為了簡便起見，以內螺紋織構浮環(huán)軸承為例進行說明，含螺紋織構內油膜厚度表達式為

(2)

式中：hi為內膜光滑區(qū)域厚度；hp為織構深度。

將式(2)代入式(1),可以求得內外油膜壓力pi、po[10-11]為

(3)

油膜承載力w為在潤滑區(qū)域內油膜壓力的積分,可記為

w=?pdxdy

(4)

通過流體潤滑機制對Reynolds方程進行求解可得浮環(huán)軸承內外油膜力Fix、Fiy、Fox、Foy表達式：

(5)

則在微小擾動作用下內外油膜的剛度和阻尼動力特性系數(shù)為

(6)

由上述公式推導可知，浮環(huán)油膜厚度是影響油膜特性的重要參數(shù)，會影響油膜壓力、承載力以及剛度、阻尼等動態(tài)特性；浮環(huán)軸承表面織構深度的變化會改變油膜織構區(qū)域油膜厚度，進而影響浮環(huán)軸承油膜特性。

2 含內螺紋織構浮環(huán)軸承動力學建模

2.1 模型的建立

以某型汽油機用渦輪增壓器浮環(huán)軸承為研究對象，其部分結構與運行參數(shù)如表1所示。

以表1的參數(shù)為例構建仿真模型，考慮網(wǎng)格質量以及后期實驗加工便利的問題，螺紋織構牙型角選為梯形，起始角度為90°，螺深hp為10 μm，螺紋上寬度b1為 10 μm，下寬度b2為20 μm，織構區(qū)域所占浮環(huán)軸長比σ=0.25。織構采用在浮環(huán)內壁對稱的形式分布，如圖2所示，軸承內壁兩側織構均勻分布。由于浮環(huán)軸承油膜厚度極薄，為了保證織構對軸承影響的計算結果的精確性，文中采用前處理軟件ICEM進行六面體網(wǎng)格劃分，其厚度方向以及螺紋織構處的網(wǎng)格進行加密處理。

表1 浮環(huán)軸承結構與運行參數(shù)

圖2 內油膜織構分布區(qū)域以及織構結構示意

浮環(huán)軸承采用壓力進口、出口的邊界條件，出口壓力設置為0，其余面均設置為壁面，潤滑油牌號選取為SAE 10W-30。

2.2 模型驗證

利用Fluent動網(wǎng)格技術微小擾動法計算油膜的剛度和阻尼系數(shù)[12]。為了驗證方法的準確性，與基于有限元法轉子軸承動力學專業(yè)分析軟件DyRoBeS的仿真結果[13]進行對比，利用DyRoBeS軟件的BePerf模塊建立浮環(huán)軸承有限元模型，對比分析轉子在1×103～2.1×105r/min轉速下的內、外油膜剛度計算結果，以內油膜主剛度計算結果為例，如圖3所示。從圖3可以看出，2種方法計算結果的誤差保持在10%之內，表明文中構建的浮環(huán)軸承流體動力學計算模型參數(shù)選取合理。

圖3 Fluent動網(wǎng)格與DyRoBeS計算結果對比

3 油膜動態(tài)特性分析

以Fluent流體動力學模型為基礎，分析織構深度對油膜動態(tài)特性的影響。由文獻[5]可知，當織構寬深比過大時，軸承可近似為光滑表面，因此分析理想狀態(tài)下織構深度hp分別為0、6、8、10、12 μm時油膜動態(tài)特性隨著轉速變化的規(guī)律。

3.1 螺紋織構深度對軸承最大壓力與承載力影響

油膜壓力與承載力代表著軸承抵抗變形能力的強弱，與軸承壽命、可靠性相關，故文中首先分析在1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，與無織構軸承相比，織構深度對油膜最大正壓力pmax以及內外油膜承載力Fi、Fo的影響，其結果如圖4所示。

圖4(a)所示為不同織構深度下油膜最大正壓力隨轉速的變化關系。可見增加織構后，油膜最大正壓力有所增大；隨著織構深度的增加，最大正壓力先增大再減小，當織構深度hp=8 μm時油膜最大正壓力提升最大，其提升幅度可達13.1%。

圖4(b)(c)所示為不同織構深度下內、外油膜承載力隨轉速變化的關系。油膜承載力隨著織構深度的增加先增大再減小；增加織構后，軸承內油膜承載力皆有所增長，而織構深度增至12 μm時，外油膜承載力反而會降低；織構深度hp=8 μm時，內外油膜承載力均達到最大值，內、外油膜承載力分別最大可提升33.3%、17.0%。

圖4 不同織構深度下油膜最大壓力與內外油膜承載力隨轉速的變化

3.2 螺紋織構深度對軸承剛度和阻尼的影響

油膜的剛度、阻尼是影響轉子-軸承系統(tǒng)臨界轉速、不平衡響應等穩(wěn)定性的主要因素[14]。假定其他參數(shù)不變，研究螺紋織構深度對內外油膜剛度和阻尼的影響。由于交叉剛度和阻尼系數(shù)隨織構深度的改變可以忽略，故文中只分析織構深度對主剛度和阻尼的影響。

不同織構深度下油膜主剛度隨轉速的變化關系如圖 5所示。可知：

圖5 不同織構深度下油膜主剛度隨轉速的變化

(1)主剛度系數(shù)隨著織構深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在同一轉速下，織構深度在8 μm時，剛度系數(shù)達到最大值，這表明在合適的織構深度下，x、y方向的位移擾動油膜分力變化率有所增大；當繼續(xù)增加織構深度到10 μm以上時，其主剛度相對變小，這是由于油膜厚度增加，油膜分力隨位移擾動的變化率減小所致。

(2)隨著轉速的提升，織構對Kixx、Koxx、Kiyy、Koyy的影響越大，當轉速達到1×105r/min以后，不同織構深度下的油膜主剛度變化增大，與無織構相比，其內外油膜剛度Koxx、Kixx、Koyy、Kiyy最大提高幅度分別為14.4%、20.8%、60.1%和60.8%。對y方向的主剛度比對x方向的主剛度提升大，這說明織構對y方向的剛度Kiyy、Koyy影響較大。原因在于織構效應對y方向的油膜分力影響大于x方向，且隨著轉速的增大，油膜厚度減小，油膜最大壓力與承載能力隨之增大，從而提升了軸承剛度[15-16]。

在1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，不同織構深度下油膜主阻尼隨轉速的變化關系如圖6所示。

圖6 不同織構深度下油膜主阻尼隨轉速的變化

由圖6可知：

(1)內外油膜主阻尼隨著不同織構的深度會有所變化，主阻尼隨著織構深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律；當織構深度hp=8 μm時，織構軸承內、外油膜主阻尼系數(shù)提升最大。

(2)在所研究的轉速區(qū)間內，其內外油膜Cixx、Ciyy、Coxx、Coyy分別最大可提升11.2%、12.7%、 5.5%和15.6%。這和織構的存在增加了油膜在x和y方向的油膜分力的變化速率有關；但織構深度繼續(xù)增加至10 μm后，反而降低了軸承內外油膜阻尼，從而減小了油膜抵抗軸頸渦動的能力，這與油膜厚度的進一步增加導致承載面積增大有關。

4 結論

(1)螺紋織構影響軸承油膜最大壓力、承載力、剛度和阻尼，以某型渦輪增壓器浮環(huán)軸承為例，在研究的6～12 μm織構深度和1×103～2.1×105r/min轉速區(qū)間內，隨著織構深度的增加，油膜最大壓力、內外油膜承載力、剛度和阻尼系數(shù)先增大后減小，在超過1×105r/min轉速后，織構對油膜動態(tài)特性的影響更明顯。結合油膜各個特性系數(shù)隨織構深度的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)織構深度為8 μm時油膜承載力、剛度阻尼等動態(tài)特性系數(shù)提升最大。

(2)在合適的織構深度下，織構可以改善油膜特性，提升軸承的運轉穩(wěn)定性，延長工作壽命。今后還需進一步考慮不同內螺紋織構參數(shù)對油膜特性的影響，以完善內螺紋織構對浮環(huán)軸承油膜特性的影響規(guī)律研究。