劉 奇，王志武

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與提高，推力軸承不僅需要工作在更高的轉(zhuǎn)速下，并且需要承受重載荷，因此對(duì)推力軸承的潤(rùn)滑性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。特別是需要更高的承載力來(lái)抵消軸向載荷，以及更小的摩擦系數(shù)、溫升以及功耗來(lái)延長(zhǎng)軸承的使用壽命。因此需要對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，包括宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。宏觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在支承形式的改變等方面，主要方法包括將原先的固定瓦改為可傾瓦、將原先的剛性支承變?yōu)閺椥灾С械龋蕴岣咻S承的承載力；微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括軸瓦表面織構(gòu)和推力瓦型面設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

1 推力軸承及推力瓦的結(jié)構(gòu)形式

流體動(dòng)壓推力軸承有多種結(jié)構(gòu)形式，主要包括固定瓦推力軸承和可傾瓦推力軸承兩大類。固定斜面瓦推力軸承是其中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一，如圖1所示。其中，F(xiàn)z為軸向推力，n為軸轉(zhuǎn)速。流體動(dòng)壓潤(rùn)滑推力軸承主要由推力瓦、推力瓦支座以及推力環(huán)等組成。當(dāng)推力軸承工作時(shí)，推力瓦固定在瓦支座上不動(dòng)，推力環(huán)隨軸以某一恒定轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)，把潤(rùn)滑流體吸入收斂楔形間隙，從而形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)。

圖1 推力軸承結(jié)構(gòu)示意圖

目前，常見(jiàn)的推力軸承推力瓦結(jié)構(gòu)形式主要有扇形推力瓦和圓形推力瓦兩種，如圖2所示。圓形瓦雖然具有較大的水潤(rùn)滑冷卻空間，有利于潤(rùn)滑流體的導(dǎo)出和引入，但其受力面積減小，比壓相應(yīng)加大，可靠性較低；扇形瓦能夠充分利用結(jié)構(gòu)空間以提高推力瓦的受力面積，在推力瓦傾角、圓心角、長(zhǎng)寬比設(shè)計(jì)合理的條件下，采用扇形瓦更能夠形成滿足要求的潤(rùn)滑油膜，因而得到廣泛的使用［1］。常見(jiàn)的扇形瓦結(jié)構(gòu)形式主要包括階梯瓦、斜面瓦、斜面平臺(tái)瓦、螺旋瓦等。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于推力瓦表面輪廓造型的研究起步比較晚，趙紅梅［2］利用三維熱彈流動(dòng)力潤(rùn)滑理論和有限元分析模型，對(duì)大型水電站分塊可傾扇形瓦推力軸承較典型的瓦面形狀進(jìn)行了分析比較，給出最佳瓦面形狀，并給出了在實(shí)際應(yīng)用范圍內(nèi)變形比和支點(diǎn)位置的優(yōu)化結(jié)果。張國(guó)賢和汪巖松［3］建立了沿周向微凸的推力瓦初始型面，利用熱彈流數(shù)學(xué)分析模型進(jìn)行了壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等的分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得出了一致的結(jié)論：由于平整的初始型面不能滿足高載工況下軸承的工作要求，考慮到收斂性油楔將形成穩(wěn)定的油膜并有承載能力，而瓦面的過(guò)度下凹將形成局部的發(fā)散性油楔，不利于油膜壓力的建立，為此設(shè)計(jì)初始型面周向中間部分（高壓區(qū)）適當(dāng)凸起，其溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布都很合理。陳志瀾［4］運(yùn)用瓦面二次曲面數(shù)學(xué)模型和三維熱彈流潤(rùn)滑性能分析軟件，詳細(xì)地計(jì)算分析了平面、圓柱面、馬鞍面等6種瓦面型面對(duì)潤(rùn)滑性能的影響，認(rèn)為沿周向凸起及沿徑向下凹的瓦面型面均有利于形成收斂油楔；確定了以周向彎曲比和徑向彎曲比作為瓦面型面優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量及以最小油膜厚度和最大膜壓比為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型；采用協(xié)調(diào)曲線法，對(duì)三峽水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承進(jìn)行了瓦面型面的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而顯著提高了軸承的潤(rùn)滑性能。李忠等［5］提出了一種新型的螺旋面扇形瓦，并對(duì)其熱動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑性能與平面瓦進(jìn)行了計(jì)算比較，結(jié)果表明比平面瓦承載能力大、油膜厚度大、溫升小、功耗小，并且制造加工容易。王小靜等［6］研究了推力瓦表面全程波紋型面和局部存在波紋對(duì)推力軸承潤(rùn)滑性能的影響，進(jìn)一步分析了波形的分布、波數(shù)、波幅等因素對(duì)推力軸承承載力、油膜溫度等性能的影響，結(jié)果表明：在局部疊加波紋時(shí)，波幅增加有利于軸承承載力的提高，使最高油膜溫度下降，摩擦力增加，流量減小；波數(shù)增加，軸承性能的變化與波幅增加的效果類似，而其影響程度要大于波幅的影響。王小靜等［7］利用三維熱彈流分析理論，并結(jié)合有限差分法和有限元法，分析了9種不同的推力瓦初始型面，認(rèn)為入口收斂、出口發(fā)散的初始型面有利于提高軸承的潤(rùn)滑性能。高磊等［8］提出了一種新型的柱面弧形油楔推力滑動(dòng)軸承，建立了數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算方法分析了各參數(shù)對(duì)軸承承載力、溫升、泄漏量等潤(rùn)滑性能的影響，最終確定了各參數(shù)的最佳取值范圍，并且此軸承正、反轉(zhuǎn)具有相同的承載力，可通過(guò)磨削一次完成。

圖2 滑動(dòng)推力軸承推力瓦結(jié)構(gòu)形式圖

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于推力瓦表面輪廓造型的研究比國(guó)內(nèi)要早得多，并且研究的內(nèi)容也更廣泛和深入，理論也比國(guó)內(nèi)成熟，但是仍然存在分歧。Purday［9］和 Pinkus等［10］根據(jù)他們各自獨(dú)立的研究得出結(jié)論，認(rèn)為一旦最小和最大油膜厚度被固定不變，油膜的精確形狀輪廓對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響意義不大。然而，有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為油膜形狀輪廓對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響起到了非常重要的作用。Charnes等［11］研究了階梯瓦推力軸承，認(rèn)為與斜面瓦推力軸承相比，前者具有更高的承載力。Bagci和Singh等［12］研究了具有指數(shù)型、懸鏈線、擺線型、半擺線型以及多項(xiàng)式型等不同表面輪廓的推力瓦軸承，認(rèn)為與平面瓦推力軸承相比，具有不同輪廓的推力瓦軸承顯著地提高了承載力。但是，以上諸多學(xué)者的研究?jī)H僅局限于等溫模型的假設(shè)，沒(méi)有考慮溫度因素的影響。

隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)推力環(huán)和推力瓦表面粗糙度對(duì)軸承潤(rùn)滑性能同樣產(chǎn)生了很重要的作用。許多研究者在推力瓦表面采用不同的表面粗糙度探究了其對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響。Burton［13］采用正弦形式的粗糙度，而Sharma和Pandey［14］采用隨機(jī)粗糙度模型研究了其對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響。

為了使研究更加符合軸承工作的實(shí)際工況，研究者利用二維或三維熱彈流分析理論，考慮了溫度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。為了得到更精確、收斂更快的數(shù)值解，建立了不同的油膜溫度分布模型進(jìn)行研究分析。Sharma和Pandey［15］評(píng)估了兩種溫度輪廓近似法（勒記德多項(xiàng)式和拋物線多項(xiàng)式）所得結(jié)果的精確性，認(rèn)為前者所得的數(shù)值解更加符合實(shí)際工況，并且進(jìn)一步利用此方法研究了表面粗糙度對(duì)擺線軸瓦輪廓軸承潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果表明有擺線輪廓的軸承潤(rùn)滑性能得到了一定的提高，并且具有一定表面粗糙度的輪廓時(shí)軸承的潤(rùn)滑性能更是得到進(jìn)一步的改進(jìn)。M.Fillon和S.B.Glavatskih［16］建立了初始型面為錐形PTFE可傾瓦推力軸承的TEHD模型，研究發(fā)現(xiàn)初始型面對(duì)油膜厚度、溫升有較大影響，對(duì)功耗影響不大。Sharma和Pandey［17］對(duì)具有階梯型、拋物線型、擺線型和懸線型等4種不同表面輪廓的固定瓦滑塊軸承進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明具有擺線型輪廓的軸承的承載力得到了顯著的提高。此外，國(guó)外學(xué)者［18－20］對(duì)表面波紋推力瓦滑動(dòng)軸承進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明軸承的入口壓力與出口壓力比、波幅、波數(shù)、瓦傾角等因素對(duì)軸承的潤(rùn)滑性能也產(chǎn)生了重要的影響，并且具有波紋表面輪廓的滑動(dòng)軸承承載能力得到了很大的提高。

3 研究的不足之處

綜上所述，關(guān)于推力瓦表面輪廓造型的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作，但是仍然存在一些不足：①理論分析都是以穩(wěn)態(tài)分析為主，而滑動(dòng)軸承在啟動(dòng)、停止等不穩(wěn)定狀態(tài)下（邊界或混合潤(rùn)滑）推力瓦表面輪廓造型會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響還有待于進(jìn)一步探究；②研究主要以理論計(jì)算為主，缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)支撐驗(yàn)證，貼近滑動(dòng)軸承真實(shí)工況的實(shí)驗(yàn)研究幾乎沒(méi)有；③理論設(shè)計(jì)出的表面輪廓形狀大多都難于加工，成本高，不宜應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中；④表面輪廓造型是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要考慮諸多因素的影響，因此應(yīng)該利用現(xiàn)有資源，建立起一套型面設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為新型面的設(shè)計(jì)提供參考，并不斷豐富該數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

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