鞏加玉，金勇，劉正林，王煥杰，周建輝

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050；3. 中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

水潤(rùn)滑軸承因具有綠色環(huán)保、節(jié)約資源和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶和水下航行器中。但由于水的黏度較低，導(dǎo)致水潤(rùn)滑軸承的承載能力較小，容易引起軸承異常磨損、振動(dòng)和噪聲。

為提高軸承的潤(rùn)滑性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出采用表面織構(gòu)技術(shù)(surface texture)對(duì)軸承內(nèi)表面進(jìn)行改性處理[1-4]，并利用試驗(yàn)、成熟的有限元軟件或簡(jiǎn)化的軸承模型對(duì)微凹槽軸承進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn)[5-6]研究了微凹槽界面形狀對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響，結(jié)果表明，矩形截面微凹槽潤(rùn)滑效果明顯優(yōu)于其他形狀截面；文獻(xiàn)[7]建立了二維CFD模型，研究發(fā)現(xiàn)，凹槽的數(shù)量越多和尺寸越小，其承載力就越大，但對(duì)摩擦因數(shù)影響較?。晃墨I(xiàn)[8]發(fā)現(xiàn),在較低接觸壓力下,垂直于滑動(dòng)方向的微凹槽具有更好的減摩能力。

基于以上研究成果，現(xiàn)分析微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度、布置位置及截面形狀5種因素對(duì)水潤(rùn)滑軸承潤(rùn)滑性能影響的顯著程度。

1 潤(rùn)滑模型的建立

1.1 潤(rùn)滑模型

微凹槽軸承潤(rùn)滑模型如圖1所示。圖中：R和r分別為軸承內(nèi)半徑和主軸半徑；O1和O2分別為軸承和主軸的圓心；e為偏心距；θ為偏位角；hmin和hmax分別為最小、最大膜厚；φ為從最大膜厚處開始的周向坐標(biāo)；ψ和γ分別為微凹槽區(qū)域的周向起始角和周向布置范圍；Wt，Lt和Dt分別為微凹槽的寬度、軸向長(zhǎng)度和深度；F為作用在主軸上的徑向載荷；n為轉(zhuǎn)速；Pt為微凹槽的跨距。

圖1 微凹槽軸承示意圖

基于文獻(xiàn)[9-10]介紹的軸承潤(rùn)滑基本理論，建立水潤(rùn)滑微凹槽軸承流-固耦合模型，其中軸承彈性變形采用柔度矩陣法求得，水膜壓力采用超松弛迭代法求解，計(jì)算過程中水膜壓力收斂精度為1.0×10-3。

1.2 模型驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證所建潤(rùn)滑模型的正確性，設(shè)計(jì)了水潤(rùn)滑微凹槽軸承板條試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)采用某公司研發(fā)的JXH-C液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承試驗(yàn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—摩擦力傳感器；2—加載力傳感器；3—壓力傳感器；4—轉(zhuǎn)速傳感器；5—溫度傳感器；6—控制臺(tái)；7—直流電動(dòng)機(jī)；8—三角帶

在實(shí)際工作過程中，主軸與軸承的接觸區(qū)主要集中在底部40°～60°范圍內(nèi)。因此，為了保證微凹槽軸承板條能形成動(dòng)壓潤(rùn)滑，且考慮到試驗(yàn)臺(tái)和織構(gòu)加工技術(shù)的限制，故采用周向60°的軸承板條取代整體軸承進(jìn)行試驗(yàn)。板條基體采用6061鋁合金，板條內(nèi)襯采用賽龍材料。試驗(yàn)過程中板條布置在主軸上方，故加載力須計(jì)入板條和傳感器等的質(zhì)量，共1 206 g。為了測(cè)量水膜壓力，在板條軸向?qū)ΨQ面內(nèi)均勻布置3個(gè)HM91A-H1-2-V2-F1-W1壓力傳感器，間距為20°，量程為0～2 MPa，精度為0.025%。試驗(yàn)板條設(shè)計(jì)2組，分別為無微凹槽板條和局部微凹槽板條。局部微凹槽板條是入口邊至周向30°范圍內(nèi)均勻加工矩形截面軸向貫穿型微凹槽，微凹槽板條軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。試驗(yàn)過程中施加的徑向載荷為12 N，主軸轉(zhuǎn)速為300～1 400 r/min，間隔100 r/min。

表1 軸承參數(shù)

徑向載荷12 N下，2組板條的摩擦因數(shù)f隨轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖3所示。圖中A，B分別為無微凹槽和局部微凹槽兩曲線的拐點(diǎn)。

圖3 摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線

由圖3可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min時(shí)，無微凹槽板條進(jìn)入動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)；轉(zhuǎn)速大于1 300 r/min時(shí)，局部微凹槽板條進(jìn)入動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)。為了論證所建潤(rùn)滑模型的正確性，在徑向載荷12 N，轉(zhuǎn)速1 400 r/min下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得2組板條軸向?qū)ΨQ面內(nèi)的水膜壓力，并與仿真壓力分布對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真與試驗(yàn)水膜壓力

由圖4a可知，無微凹槽板條試驗(yàn)壓力與仿真壓力的最大誤差為7.4%；由圖4b可知，局部微凹槽板條試驗(yàn)壓力與仿真壓力的最大誤差為8.3%。由于存在模型誤差和測(cè)量誤差，導(dǎo)致試驗(yàn)與仿真壓力不完全一致，但最大誤差均小于10%，滿足計(jì)算精度要求，證明了所建潤(rùn)滑模型的正確性。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

水潤(rùn)滑微凹槽軸承的仿真計(jì)算以工作環(huán)境最為惡劣的下半軸承為對(duì)象，軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，內(nèi)襯材料為賽龍，微凹槽間距固定為2 mm，軸承偏心率為0.3，主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

經(jīng)網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性檢驗(yàn)，仿真計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量采用周向400個(gè)，軸向50個(gè)的形式。

2.1 全微凹槽軸承正交仿真

為了分析微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度及截面形狀4種因素對(duì)水潤(rùn)滑全微凹槽軸承潤(rùn)滑性能影響的顯著程度，針對(duì)上述4種因素各選擇了3個(gè)因素水平，設(shè)計(jì)了4因素3水平的L9(34)正交表，見表2。微凹槽截面如圖5所示。根據(jù)正交表中的9種工況，分別仿真計(jì)算量綱一的承載力和摩擦因數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，繪制相應(yīng)的效應(yīng)曲線圖。

圖5 微凹槽截面

表2 全微凹槽軸承正交仿真因素及水平

2.1.1 承載力為正交仿真指標(biāo)

水潤(rùn)滑全微凹槽軸承量綱一的承載力和極差分析結(jié)果見表3，對(duì)應(yīng)的效應(yīng)曲線如圖6所示。

表3 全微凹槽軸承承載力和極差分析結(jié)果

(1)

(2)

由表3和圖6可知：

圖6 全微凹槽軸承中以量綱一的承載力為指標(biāo)的效應(yīng)曲線圖

1)全微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度及截面形狀4因素對(duì)水潤(rùn)滑軸承承載力影響的顯著程度順序?yàn)椋航孛嫘螤?寬度>深度>長(zhǎng)度。

2)當(dāng)水潤(rùn)滑下半軸承采用全微凹槽時(shí)，提高軸承承載力效果最好的微凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為深度50 μm，寬度800 μm，長(zhǎng)度100 mm，矩形截面。仿真計(jì)算得到最佳組合時(shí)的量綱一的承載力為0.236，大于表3所示的所有承載力。

3)就提高軸承承載力而言，微凹槽深度效果最好的是50 μm，其次為30,70 μm；在間距2 mm不變的情況下，微凹槽寬度效果最好的是800 μm，最差的是400 μm；微凹槽長(zhǎng)度效果最好的是100 mm，最差的是40 mm；微凹槽截面效果最好的是矩形界面，最差的是三角形截面，這與文獻(xiàn)[5-6]的結(jié)論一致。

2.1.2 摩擦因數(shù)為正交仿真指標(biāo)

以水潤(rùn)滑全微凹槽軸承摩擦因數(shù)為正交仿真指標(biāo)的效應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 全微凹槽軸承中以摩擦因數(shù)為指標(biāo)的效應(yīng)曲線圖

由圖7可知：

1)全微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度及截面形狀對(duì)摩擦因數(shù)影響的顯著程度順序?yàn)榻孛嫘螤?寬度>深度>長(zhǎng)度。

2)減小水潤(rùn)滑下半軸承摩擦因數(shù)效果最好的微凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為深度50 μm，寬度800 μm，長(zhǎng)度70 mm，矩形截面。微凹槽最佳組合時(shí)的摩擦因數(shù)仿真結(jié)果為0.055 1，小于圖7中的所有摩擦因數(shù)。

3)微凹槽深度為50 μm時(shí)的摩擦因數(shù)最小，深度為70 μm時(shí)最大；在間距2 mm不變的情況下，微凹槽寬度為800 μm時(shí)的摩擦因素最小，寬度為400,600 μm時(shí)的較大；微凹槽長(zhǎng)度為70 mm時(shí)摩擦因數(shù)最??；微凹槽截面為矩形截面時(shí)的摩擦因數(shù)比三角形截面和圓弧形界面的小，這與文獻(xiàn)[5-6]的結(jié)論一致。

對(duì)比圖6和圖7可知，微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度及截面形狀對(duì)軸承承載力和摩擦因數(shù)影響的顯著程度一致，但微凹槽提高軸承承載力和降低軸承摩擦因數(shù)的最佳參數(shù)組合并不一致。

2.2 局部微凹槽軸承正交仿真

為了分析微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度、截面形狀及布置位置5種因素對(duì)水潤(rùn)滑局部微凹槽軸承潤(rùn)滑性能影響的顯著程度，設(shè)計(jì)了5因素3水平的L18(35)正交表，見表4。微凹槽布置位置如圖8所示。對(duì)正交表中的18種工況下量綱一的承載力和摩擦因數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，繪制相應(yīng)的效應(yīng)曲線圖。

圖8 微凹槽布置位置

2.2.1 承載力為正交仿真指標(biāo)

水潤(rùn)滑局部微凹槽軸承承載力和極差分析結(jié)果見表5。對(duì)應(yīng)的效應(yīng)曲線如圖9所示。

表5 局部微凹槽軸承承載力和極差分析結(jié)果

圖9 局部微凹槽軸承以量綱一的承載力為指標(biāo)的效應(yīng)曲線圖

由表5和圖9可知：

1)局部微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度、截面形狀及布置位置5因素對(duì)軸承承載力影響的顯著程度順序?yàn)榻孛嫘螤?布置位置>長(zhǎng)度>深度>寬度。

2)當(dāng)水潤(rùn)滑下半軸承采用局部微凹槽時(shí)，提高軸承承載力效果最好的微凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為深度70 μm,寬度400 μm,長(zhǎng)度70 mm,三角形截面,布置位置入口60°。仿真計(jì)算得到最佳組合時(shí)的量綱一的承載力為0.395，大于表5中所有量綱一的承載力。

3)微凹槽深度為70 μm時(shí)的承載力比深度為30，50 μm時(shí)的大；在微凹槽間距為2 mm的情況下，微凹槽寬度為400 μm時(shí)的承載力最大，深度為800 μm時(shí)的承載力最小；微凹槽長(zhǎng)度為70 mm時(shí)的承載力最大；微凹槽截面形狀中，矩形和三角形截面相較圓弧截面承載力要大；微凹槽布置在入口及中間時(shí)的承載力大于微凹槽布置在出口時(shí)的承載力。

2.2.2 摩擦因數(shù)為正交仿真指標(biāo)

以摩擦因數(shù)為正交仿真指標(biāo)時(shí)的效應(yīng)曲線如圖10所示。

圖10 局部微凹槽軸承以摩擦因數(shù)為指標(biāo)的效應(yīng)曲線圖

由圖10可知：

1)局部微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度、截面形狀及布置位置對(duì)摩擦因數(shù)影響的顯著程度順序?yàn)榻孛嫘螤?布置位置>深度>長(zhǎng)度>寬度。

2)減小水潤(rùn)滑下半軸承摩擦因數(shù)效果最好的微凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為深度70 μm,寬度400 μm,長(zhǎng)度70 mm,三角形截面,布置位置入口60°。仿真計(jì)算得到最佳組合時(shí)的摩擦因數(shù)為0.036 2，小于圖10所示的所有摩擦因數(shù)。

3)在微凹槽深度中，減摩效果最好的是70 μm；在微凹槽間距為2 mm的情況下，微凹槽寬度減摩效果最好的是400 μm，最差的是800 μm；微凹槽長(zhǎng)度減摩效果最好的是70 mm，其次為40 mm；矩形截面和三角形截面微凹槽減摩效果最好；微凹槽布置在入口時(shí)局部微凹槽軸承摩擦因數(shù)最小，布置在出口時(shí)摩擦因數(shù)最大。

對(duì)比圖9和圖10可知，微凹槽的深度、寬度、長(zhǎng)度、截面形狀及布置位置對(duì)軸承承載力和摩擦因數(shù)影響的顯著程度不完全一致，微凹槽提高軸承承載力和降低軸承摩擦因數(shù)的最佳參數(shù)組合也不一致。

3 結(jié)論

1)對(duì)于全微凹槽軸承，微凹槽參數(shù)對(duì)軸承承載力和摩擦因數(shù)影響的顯著程度為：截面形狀>寬度>深度>長(zhǎng)度。

2)對(duì)于局部微凹槽軸承，微凹槽參數(shù)對(duì)軸承承載力影響的顯著程度為：截面形狀>布置位置>長(zhǎng)度>深度>寬度，織構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承摩擦因數(shù)影響的顯著程度為：截面形狀>布置位置>深度>長(zhǎng)度>寬度。

本研究對(duì)于完善水潤(rùn)滑微凹槽軸承的設(shè)計(jì)提供參考，但由于僅考慮了單個(gè)偏心率和微凹槽間距，并未考慮偏心率和微凹槽間距的綜合作用，在未來的研究中有待進(jìn)一步完善。