（西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

潤(rùn)滑劑中未過(guò)濾的固體顆粒造成的劃痕是滑動(dòng)軸承常見(jiàn)的損傷形式，也是導(dǎo)致軸承性能及壽命下降的因素之一[1]。劃痕會(huì)引起膜厚度的急劇減小，并導(dǎo)致軸承部件之間的直接接觸和溫度的顯著升高，甚至導(dǎo)致巴氏合金熔化，嚴(yán)重危及設(shè)備安全。

為探究摩擦磨損對(duì)軸承性能的影響，諸多學(xué)者從軸承表面紋理的作用機(jī)理入手，認(rèn)為表面的凹坑能夠在存儲(chǔ)潤(rùn)滑油的同時(shí)容納磨粒，進(jìn)而降低摩擦磨損、提升軸承性能。Henry[2]及Etsion[3]等就分別通過(guò)平行斜平面推力軸承試驗(yàn)，驗(yàn)證表面紋理對(duì)降低推力軸承摩擦力的特性。也有部分學(xué)者[4-5]采用數(shù)值仿真的方法對(duì)推力軸承的性能進(jìn)行研究。但表面織構(gòu)作為特定加工產(chǎn)生的規(guī)則性紋理，與軸承自身因磨粒磨損產(chǎn)生的劃痕有著顯著的差異，軸承劃痕的作用機(jī)理依舊值得深入研究。

有部分研究指出劃痕具有顯著的負(fù)面效應(yīng)：Dobrica 等[6]通過(guò)周向劃痕對(duì)軸頸軸承的熱流體動(dòng)力學(xué)性能的研究表明，軸頸軸承表面上的周向劃痕會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響，位于中央位置深度較深的劃痕尤為明顯。但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了損傷所帶來(lái)的良性效應(yīng)，F(xiàn)illon等[7]分析了普通軸頸軸承因不對(duì)中產(chǎn)生的磨損，指出在某些情況下，（磨損缺陷大于30%和高負(fù)荷），發(fā)生磨損的軸承動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)于未磨損的軸承。也有許多學(xué)者著手對(duì)劃痕的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，并取得了一定的研究成果：Jean Bouyer[8]通過(guò)熱彈流體動(dòng)力學(xué)（TEHD）數(shù)值模擬給出了雙葉徑向軸承在軸上沒(méi)有劃痕的情況下，以及在較淺劃痕的情況下，壓力和溫度的良好相關(guān)性，指出劃痕深度越深，對(duì)壓力分布的影響更顯著，同時(shí)也證明了理論計(jì)算劃痕作用的可行性。Giraudeau[9]測(cè)量了轉(zhuǎn)子存在劃痕時(shí)軸承的壓力及溫度分布，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)劃痕深度與最小油膜厚度處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)會(huì)對(duì)軸承壓力溫度和摩擦力矩產(chǎn)生明顯的影響。Hélène[10]對(duì)軸頸軸承劃痕下的壓力和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，研究表明，壓力隨著劃痕深度的變化而下降，直至潤(rùn)滑膜破裂。Branagan[11]專注于研究劃痕位置對(duì)徑向軸承的影響，指出承載能力受到中心劃痕的影響最大，原因是最大壓力位置發(fā)生了變化。上述這些工作為我們深入研究劃痕機(jī)理，解決工業(yè)問(wèn)題提供了主要依據(jù)，對(duì)具有劃痕損傷的軸承進(jìn)行精確的數(shù)值模擬，探究劃痕對(duì)軸承特性的影響，可以更好地理解流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。從而有助于優(yōu)化推力軸承設(shè)計(jì)，改善軸承性能。

推力軸承深受劃痕損傷問(wèn)題所困擾，但現(xiàn)有針對(duì)劃痕的研究多關(guān)注于徑向軸承[8-9]。因此，本文在借鑒前人研究工作[12-13]的基礎(chǔ)上，結(jié)合Henry[14]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)平行斜平面推力軸承在有無(wú)劃痕的工況下進(jìn)行各項(xiàng)特性參數(shù)分析，以期闡明劃痕對(duì)平行斜平面推力軸承的影響機(jī)理。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程

考慮紊流、質(zhì)量守恒的流體在平行斜平面推力軸承微小間隙的運(yùn)動(dòng)可用如下雷諾方程進(jìn)行描述[15-17]:

其中，r為徑向坐標(biāo)；θ為周向坐標(biāo)；p為油膜壓力；ω為油膜厚度方向的流體速度；h為油膜厚度；t為時(shí)間；μ為動(dòng)力粘度；為湍流系數(shù)，定義如下[18]:

其中，Re為雷諾數(shù)；U為潤(rùn)滑劑與瓦面的相對(duì)速度；ρ為密度。

1.2 靜特性計(jì)算

本文采用絕熱模型平衡計(jì)算時(shí)間與精度，考慮了軸承的熱效應(yīng)。式（5）～式（8）表示了柱坐標(biāo)系下的流量值[16]。

表面的剪切力由下式定義[19]:

其中，τs為剪切力；Cf為湍流校正系數(shù)，其值通過(guò)下式描述（Cf=1表示層流）:

功率可以用單位面積上速度與力的乘積來(lái)描述，承載力可通過(guò)壓力的積分來(lái)計(jì)算。因此，推力軸承的功耗和載荷定義如下:

其中，H為單位時(shí)間內(nèi)的功耗；F為油膜力；A為瓦塊的承載區(qū)域；Wload為瓦塊的載荷。

模型通過(guò)簡(jiǎn)化可描述為如下形式[19]:

其中，cp為潤(rùn)滑劑的定壓比熱容。

1.3 邊界條件

通過(guò)定義邊界條件以求解壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)和粘度場(chǎng)[20-22]。根據(jù)推力軸承的運(yùn)行條件，可以定義:在潤(rùn)滑油進(jìn)口處，壓力設(shè)置為供油壓力，瓦塊兩側(cè)為出油口，壓力設(shè)為零，分別用式（14）和式（15）表示。

根據(jù)熱量守恒原理，由能量方程（式（6））確定溫度分布，根據(jù)方程（16）可以確定瓦塊溫升[19]。λ表示回油系數(shù)，即熱油從前一瓦塊進(jìn)入下一瓦塊的比例[23]。

瓦塊下游與兩端的邊界由絕熱條件確定，如式（17）所示：

采用Walther 模型[17]來(lái)描述潤(rùn)滑油的溫度-粘度特性，定義為式（18）、式（19）：

其中，μ0，v0分別表示溫度為T時(shí)的動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度。系數(shù)A和B可以根據(jù)兩個(gè)不同溫度點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)粘度確定。

基于前述理論，采用MATLAB 編寫的有限元程序?qū)﹄x散雷諾方程進(jìn)行裝配和求解，得到壓力和溫度的分布，確定湍流系數(shù)考慮湍流的影響。計(jì)算壓力積分描述承載能力。考慮膜厚、轉(zhuǎn)速和壓力梯度計(jì)算剪切力。基于上述理論框架，可以得到推力軸承的各項(xiàng)特征參數(shù)。

2 典型工況下劃痕影響規(guī)律

2.1 結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)

為了對(duì)比光滑與帶劃痕的斜平面推力軸承性能，我們選用了典型工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)理論模型對(duì)推力軸承的特性參數(shù)進(jìn)行了求解，通過(guò)理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，以驗(yàn)證模型的正確性。試驗(yàn)采用的斜平面推力軸承的幾何參數(shù)與工況條件如表1所示。

圖1 軸承幾何參數(shù)Fig.1 Bearing geometry

表1 軸承幾何參數(shù)及工況參數(shù)Tab.1 The bearing geometry parameters and condition parameters

2.2 軸承性能參數(shù)

針對(duì)典型工況下（表1）的推力軸承，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果包括軸承壓力、軸承最小油膜厚度、軸承溫度、摩擦力矩。由于試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與傳感器安裝位置密切相關(guān)，因此試驗(yàn)得到的油膜壓力最大值并不一定是軸承的最大油膜壓力，軸承溫度同理。為了更加準(zhǔn)確地對(duì)比理論模型與試驗(yàn)的契合度，本文選擇數(shù)值解中與傳感器位置相對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，光滑表面軸承以軸承油膜網(wǎng)格劃分后最接近傳感器位置的節(jié)點(diǎn)壓力溫度進(jìn)行對(duì)比，以此驗(yàn)證模型正確性。后續(xù)在衡量軸承性能時(shí)，再采用計(jì)算得到的最大油膜壓力、最小油膜厚度、最高油膜溫度和摩擦力矩來(lái)衡量劃痕對(duì)軸承性能的影響。

表2 為典型工況下斜平面推力軸承的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、有/無(wú)劃痕的理論計(jì)算結(jié)果，具體性能參數(shù)包括油膜壓力、最小油膜厚度、油膜最高溫度和摩擦力矩。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，試驗(yàn)與光滑表面理論計(jì)算結(jié)果吻合良好，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)劃痕對(duì)于軸承的性能參數(shù)具有顯著的影響，隨著劃痕深度增加，軸承最小油膜厚度減小，最大油膜壓力增大，最高溫度上升，摩擦力矩增加。這是典型工況下劃痕對(duì)軸承的主要性能參數(shù)的宏觀影響規(guī)律，下文進(jìn)一步具體分析劃痕對(duì)軸承油膜壓力和油膜溫度分布的影響。

表2 典型工況下軸承特性參數(shù)Tab.2 The bearing performance parameters under typical condition

圖2為軸承油膜厚度分布，光滑軸承油膜厚度沿半徑方向均勻分布，周向順時(shí)針遞增，劃痕軸承徑向以劃痕間隔，具有明顯的油膜厚度差異，劃痕位置油膜厚度很大，其他區(qū)域油膜厚度顯著低于光滑軸承，最小油膜厚度顯著降低。圖3為光滑與劃痕軸承油膜壓力分布，最大油膜壓力的變化與軸承最小油膜厚度密切相關(guān)，光滑軸承油膜分布只有一個(gè)峰值，劃痕軸承可以明顯看到有兩個(gè)高壓力區(qū)域，但軸承的承載面積減小了，最大油膜壓力增大了。

圖2 光滑/劃痕瓦塊油膜厚度分布Fig.2 Distribution of oil film thickness on smooth/scratched pad

圖3 光滑/劃痕瓦塊油膜壓力分布Fig.3 Distribution of oil film pressure on the smooth/scratched pad

圖4顯示了在4kN和6 000r/min時(shí)光滑和有劃痕的推力軸承的油膜溫度分布。溫度最大位置位于瓦塊外側(cè)油膜厚度最小處。溫度沿半徑向內(nèi)及周向順時(shí)針?lè)较驕p小。當(dāng)軸承存在劃痕時(shí)，軸承的溫度分布受到干擾，使得劃痕區(qū)域的溫度明顯降低。這是因?yàn)閯澓墼黾恿藵?rùn)滑油的局部流量，從而增加了散熱率。然而，從圖5 所示的徑向溫度分布可以看出，有劃痕的軸承，除了劃痕區(qū)域溫度較低外，整體溫度還是高于光滑軸承。劃痕雖然會(huì)增加潤(rùn)滑油的流量，但也會(huì)降低軸承膜厚，增加最大膜壓，進(jìn)而影響到整體的溫度。

圖4 光滑/劃痕瓦塊油膜溫度分布Fig.4 Temperature distributions of oil film on smooth/scratched pad

圖5 徑向油膜溫度分布曲線Fig.5 Radial oil film temperature distributions curves

圖5為光滑與有劃痕軸承油膜溫度分布圖，光滑軸承油膜溫度最高點(diǎn)位于軸承外側(cè)油膜厚度最小位置，沿半徑向內(nèi)及周向順時(shí)針?lè)较驕囟冗f減。當(dāng)軸承出現(xiàn)劃痕之后，對(duì)軸承徑向的溫度分布出現(xiàn)了一定的干擾，劃痕位置溫度呈現(xiàn)跳躍式的降低，主要原因在于劃痕增大局部區(qū)域潤(rùn)滑油的流量，帶走更多熱量。但根據(jù)圖5徑向溫度分布可知，帶有劃痕的軸承除劃痕位置以外，實(shí)際溫度也高于光滑軸承，因?yàn)殡m然劃痕能夠增大潤(rùn)滑油流量，但同時(shí)導(dǎo)致軸承油膜厚度減小，最大油膜壓力增大，整體溫升還是會(huì)提高。

圖6 為典型工況下不同深度劃痕對(duì)應(yīng)的軸承徑向壓力，與前述軸承油膜壓力分布相對(duì)應(yīng)，光滑軸承徑向僅有一個(gè)峰值，有劃痕的軸承軸向均有兩個(gè)峰，在劃痕位置存在低油膜壓力區(qū)域，劃痕深度較小（25μm）時(shí)，劃痕區(qū)域油膜壓力減小較少，隨著劃痕深度的增加，劃痕位置軸承油膜壓力會(huì)逐漸降低，該區(qū)域承載效果減弱，在定載荷的工況下，隨著劃痕深度的增大，軸承最小油膜厚度會(huì)減小，對(duì)應(yīng)軸承劃痕兩側(cè)的承載區(qū)域油膜壓力會(huì)逐漸提高，在劃痕深度較淺時(shí)，最大油膜壓力還低于光滑軸承，當(dāng)劃痕深度加深，最大油膜壓力會(huì)逐步超過(guò)光滑軸承。

圖6 徑向油膜壓力分布曲線Fig.6 Radial oil film pressure distribution curve on the smooth/scratched pad

3 參數(shù)化分析

根據(jù)前述分析可知典型工況下軸承的特性隨劃痕參數(shù)的變化趨勢(shì)而變化，為探究工況條件的變化對(duì)光滑和有劃痕軸承的性能影響，下文依次分析了載荷、轉(zhuǎn)速、劃痕位置變化對(duì)兩類軸承的最小油膜厚度、最大油膜壓力、最高油膜溫度及摩擦力矩等特性參數(shù)的影響，在不同工況條件下也考慮了劃痕深度的變化帶來(lái)的差異性。

3.1 載荷

本節(jié)詳細(xì)討論光滑與有劃痕的斜平面推力軸承的各項(xiàng)性能參數(shù)隨載荷的變化情況，工況為：轉(zhuǎn)速6000r/min，載荷變化為1kN-8kN，劃痕內(nèi)側(cè)位于半徑r=35mm 處，劃痕寬度為1mm，劃痕深度為25μm，50μm，100μm。

圖7 為劃痕影響下斜平面推力軸承最小油膜厚度隨載荷的變化關(guān)系，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與光滑軸承的最小油膜厚度對(duì)比，最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速增加不斷減小，且試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合良好，劃痕會(huì)導(dǎo)致軸承最小油膜厚度減??；在低載荷的情況下，劃痕深度越深，最小油膜厚度降低越明顯，當(dāng)處于重載工況下，劃痕深度超過(guò)50μm之后，增加劃痕深度對(duì)減小軸承油膜厚度的作用減弱，原因在于重載工況下軸承最小油膜厚度很小，主要承載區(qū)域?yàn)檩S承劃痕兩側(cè)區(qū)域，劃痕位置的承載能力已微乎其微，因此劃痕深度的變化對(duì)軸承最小油膜厚度影響很小。

圖7 不同深度劃痕瓦塊最小油膜厚度隨載荷的變化關(guān)系Fig.7 Pad Minimum oil film thickness decreases with load increasing of different scratches depth

軸承最小油膜厚度的變化顯著反映在軸承最大油膜壓力的變化上，隨著載荷增加，軸承最小油膜厚度減小，對(duì)應(yīng)的軸承油膜壓力將增大。如圖8為軸承油膜壓力隨載荷的變化關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置理論計(jì)算結(jié)果吻合良好，最大油膜壓力隨著載荷增加而增大，且隨著劃痕深度的增大，軸承最大油膜壓力也顯著增加；在低載荷工況下，最大油膜壓力隨劃痕深度增加的變化較小，原因在于低載工況下軸承最小油膜厚度大，油膜壓力本身較小，劃痕變化對(duì)承載效果的影響不明顯；當(dāng)載荷增大，軸承最小油膜厚度減小，劃痕導(dǎo)致的承載力下降弊端凸顯，承載面積減小，軸承油膜壓力顯著增大才能夠抵消載荷作用。

圖8 不同深度劃痕瓦塊最大油膜壓力隨載荷的變化關(guān)系Fig.8 Pad maximum oil film pressure increasing with the load increasing of different scratches depth

圖9為軸承最高油膜溫度隨載荷增加的變化關(guān)系，隨著載荷增大，軸承最小油膜厚度會(huì)隨之減小，軸承油膜壓力的增大，必然導(dǎo)致軸承生熱量增加，根據(jù)圖中變化趨勢(shì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型得到的溫度參數(shù)基本一致，軸承最高溫度也隨著載荷的增大而增加。當(dāng)軸承產(chǎn)生劃痕之后，雖然劃痕能夠增加潤(rùn)滑油流量，但劃痕同時(shí)會(huì)使得軸承最小油膜厚度增加，進(jìn)而生熱愈加嚴(yán)重，因此劃痕會(huì)提高軸承的最高溫度，使得軸承安全性降低，同時(shí)劃痕深度的增加，導(dǎo)致油膜厚度更小，因此軸承油膜溫度也會(huì)隨著劃痕深度增加而提高。

圖9 不同深度劃痕瓦塊最高溫度隨載荷的變化關(guān)系Fig.9 Pad maximum temperature increasing with the load increasing of different scratches depth

圖10 為摩擦力矩隨載荷的變化關(guān)系，隨著載荷的增加，軸承的摩擦力矩隨之增加，原因在于軸承油膜壓力增大，同時(shí)油膜厚度減小導(dǎo)致速度梯度增加，剪切作用增強(qiáng)。同時(shí)進(jìn)一步也能發(fā)現(xiàn)，深度較小的劃痕對(duì)摩擦力矩的影響較小，當(dāng)劃痕深度增加，摩擦力矩顯著增大，究其原因，較深的劃痕無(wú)疑是大大增大了流固接觸面積，且劃痕槽內(nèi)部空間較大，易形成紊流區(qū)域，由此導(dǎo)致的摩擦力矩增大，淺劃痕深度不夠，劃痕內(nèi)空間較小，紊流影響小，且由于軸承溫升的增加，潤(rùn)滑油粘度下降，因此導(dǎo)致摩擦力矩變化不顯著。

圖10 不同深度劃痕瓦塊摩擦力矩隨載荷的變化關(guān)系Fig.10 Pad friction torque with the change of load of different scratches depth

3.2 轉(zhuǎn)速

本節(jié)詳細(xì)討論斜平面推力軸承的各項(xiàng)性能參數(shù)在有無(wú)劃痕損傷的情況下隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，具體工況條件為：轉(zhuǎn)速變化范圍1 000～10 000r/min，載荷4kN，劃痕內(nèi)側(cè)位于半徑r=35mm 處，劃痕寬度為1mm，劃痕深度為25μm，50μm，100μm。

圖11為光滑和有劃痕軸承的最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速升高，最小油膜厚度增大，圖中的曲線符合這個(gè)規(guī)律；當(dāng)軸承出現(xiàn)劃痕，軸承最小油膜厚度會(huì)顯著降低，且劃痕深度越深，軸承最小油膜厚度越小，但仍具有一個(gè)限度，即劃痕深度深到劃痕區(qū)域已經(jīng)無(wú)法為軸承運(yùn)行提供顯著的承載力，此時(shí)劃痕深度繼續(xù)增加也不會(huì)再降低油膜厚度，這種情況在低速階段更明顯，原因在于低速階段速度梯度本身較小，劃痕會(huì)進(jìn)一步降低速度梯度，削弱動(dòng)壓效應(yīng)；隨著速度升高，較深劃痕軸承油膜厚度會(huì)更小。

圖11 不同深度劃痕瓦塊最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.11 Pad maximum oil film thickness increasing with rotation speed of different scratches depth

圖12為光滑和有劃痕軸承的最大油膜壓力隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，光滑軸承在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，隨著軸承轉(zhuǎn)速的增加，最小油膜厚度增大，最大油膜壓力減小，在低速階段，有劃痕軸承最大油膜壓力明顯高于光滑軸承，隨著轉(zhuǎn)速升高，軸承最大油膜壓力迅速下降，原因在于隨轉(zhuǎn)速升高軸承的最小油膜厚度會(huì)增加，間隙的增大導(dǎo)致劃痕的影響趨弱，因此較低速階段更接近光滑軸承的油膜壓力。對(duì)于淺劃痕的軸承，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高之后，軸承最大油膜壓力會(huì)低于光滑軸承，原因在于劃痕較淺，劃痕位置能夠憑借動(dòng)壓效應(yīng)為軸承提供一定的油膜壓力，因此劃痕位置油膜壓力減小的同時(shí)，劃痕兩側(cè)油膜壓力增大并不明顯，所以最大油膜壓力會(huì)低于光滑軸承。當(dāng)劃痕深度增大，劃痕區(qū)域無(wú)法提供穩(wěn)定的油膜壓力，因此隨著劃痕導(dǎo)致的油膜厚度減小，劃痕兩側(cè)油膜壓力會(huì)顯著升高，最大油膜壓力遠(yuǎn)高于光滑軸承。

圖12 不同深度劃痕瓦塊最大油膜壓力隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.12 Maximum oil film pressure decrease with rotation speed increasing

圖13 為軸承最高油膜溫度隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，從圖中可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速增加，軸承溫度也逐步增加，有劃痕的軸承溫升更加顯著，且隨著劃痕深度增加，軸承溫度也越高。結(jié)合圖11 可知，劃痕導(dǎo)致軸承最小油膜厚度減小，軸承潤(rùn)滑油流量也會(huì)減少，軸承溫升會(huì)隨之升高。

圖13 不同深度劃痕瓦塊最高溫度隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.13 Maximum temperature increasing with rotation speed increasing

圖14 為軸承摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，軸承摩擦力矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速升高而增大，當(dāng)軸承出現(xiàn)較淺劃痕時(shí)，在低速階段會(huì)增大軸承的摩擦力矩，引起損耗增大，當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速升高，淺劃痕反而又會(huì)降低軸承的摩擦力矩，原因在于低速階段軸承最小油膜厚度小，劃痕增大了接觸面積，同時(shí)軸承溫升也不高，潤(rùn)滑油粘度變化不大，導(dǎo)致軸承摩擦力矩增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，軸承間隙內(nèi)速度梯度大，摩擦力矩增強(qiáng)，但同時(shí)軸承油膜厚度增大，且劃痕導(dǎo)致的軸承溫升更高，潤(rùn)滑油粘度降低明顯，同時(shí)，淺劃痕增大接觸面的效果不夠顯著，導(dǎo)致淺劃痕軸承的摩擦力矩略低于光滑軸承。當(dāng)劃痕深度較深時(shí)，溫升帶來(lái)的粘度降低不足以抵消劃痕導(dǎo)致的接觸面積增大，因此，較深劃痕軸承的摩擦力矩在各種轉(zhuǎn)速工況下均高于光滑的軸承。

圖14 不同深度劃痕瓦塊摩擦力矩隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.14 Friction torque increasing with rotation speed increasing

3.3 劃痕位置

在本節(jié)中，以恒轉(zhuǎn)速和恒載荷的條件，改變瓦塊上劃痕的相對(duì)位置，分析劃痕位置對(duì)軸承性能的影響。轉(zhuǎn)速為6 000r/min，外載荷為4kN。劃痕寬度為1mm，劃痕深度分別為25μm、50μm 和100μm。刮痕區(qū)域的無(wú)量綱位置由刮痕內(nèi)側(cè)距瓦塊內(nèi)側(cè)的徑向距離與瓦塊徑向?qū)挾鹊谋戎当硎?，無(wú)量綱位置的區(qū)間為0.2～0.8。分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 劃痕位置及劃痕深度對(duì)軸承性能的影響Tab.3 The influence of scratch position and depth on the bearing performance

圖15為最小油膜厚度隨徑向劃痕位置改變的變化關(guān)系，對(duì)于同樣深度的劃痕，劃痕位置對(duì)軸承特性的影響也十分顯著，劃痕位于軸承中部約35mm處時(shí)軸承最小油膜厚度更小，劃痕靠近內(nèi)徑或外徑時(shí)油膜厚度均會(huì)略高，原因在于劃痕更加靠近光滑斜平面推力軸承的最大油膜壓力區(qū)域，因此偏向中部的劃痕對(duì)軸承性能的影響更加顯著。

圖15 不同深度劃痕瓦塊最小油膜厚度隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.15 Minimum oil film thickness changes with rotation speed

圖16為不同劃痕位置下的油膜壓力分布。圖17顯示了最大油膜壓力隨無(wú)量綱劃痕位置的變化。當(dāng)劃痕位于瓦塊中心時(shí)，算例的最小薄膜厚度是最小的，但此時(shí)最大油膜壓力并不是四種算例中最大的。當(dāng)劃痕位置稍微偏離中心時(shí)，最大油膜壓力會(huì)增高。對(duì)于淺劃痕，當(dāng)劃痕位于中間位置時(shí)，有劃痕軸承的最大油膜壓力會(huì)小于光滑軸承的油膜壓力。圖18 為劃痕深度50μm 時(shí)，不同劃痕位置下瓦塊的徑向油膜壓力的分布?？梢杂^察到，劃痕位于瓦塊內(nèi)外兩側(cè)時(shí)最大油膜壓力明顯較高。劃痕區(qū)域的油膜壓力很低，并且在給定的深度下，壓力會(huì)隨著劃痕位置的變化而顯著變化。

圖16 不同劃痕位置瓦塊的油膜壓力峰值分布Fig.16 Pad oil film pressure peak distribution with different scratch position

圖17 不同劃痕位置瓦塊最大油膜壓力Fig.17 Pad maximum oil film pressure changes with different scratch position

圖18 不同劃痕位置瓦塊徑向油膜壓力分布Fig.18 Pad radial oil film pressure distributions with different scratch position

圖19 不同劃痕位置瓦塊徑向油膜溫度分布Fig.19 Pad radial oil film temperature distributions with scratch position

當(dāng)推力軸承表面光滑時(shí)，只有一個(gè)壓力峰值位于瓦塊的中心。當(dāng)存在劃痕時(shí)，油膜壓力的峰值會(huì)沿徑向向內(nèi)或向外移動(dòng)，即會(huì)導(dǎo)致軸承承載中心的偏移以及承載面積的減小，引起軸承的性能退化。

圖19 為最高油膜溫度隨劃痕位置的變化關(guān)系，從圖中可以看出任何位置和深度的劃痕都將導(dǎo)致軸承的溫度上升，當(dāng)劃痕較淺時(shí)，劃痕位置位于瓦塊中心位置略偏瓦塊內(nèi)側(cè)時(shí)溫度最高，當(dāng)劃痕深度增加，徑向位置對(duì)溫度的影響趨勢(shì)更加顯著，當(dāng)劃痕位于瓦塊中間略偏瓦塊外側(cè)時(shí)軸承溫升更高。

如圖20 為軸承摩擦力矩隨劃痕位置的變化關(guān)系，從圖中可見(jiàn)，劃痕位置位于軸承瓦塊徑向中間位置時(shí)有最大摩擦力矩，劃痕位置偏向瓦塊內(nèi)側(cè)或外側(cè)時(shí)摩擦力矩都會(huì)減小。當(dāng)劃痕較淺時(shí)，劃痕會(huì)減小軸承的最大摩擦力矩，當(dāng)劃痕較深時(shí)，最大摩擦力矩高于光滑軸承，且劃痕深度越深，摩擦力矩越大；當(dāng)劃痕位于軸承外側(cè)邊緣區(qū)域，摩擦力矩會(huì)顯著降低，且劃痕深度越深，軸承摩擦力矩越小。

圖20 不同劃痕深度及位置的瓦塊摩擦力矩Fig.20 Pad friction torque of different scratch depth and position

4 結(jié)論

本文結(jié)合文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)典型工況下有/無(wú)劃痕的斜平面推力軸承特性進(jìn)行了分析，并討論了載荷、轉(zhuǎn)速、劃痕位置對(duì)不同劃痕深度下的斜平面推力軸承特性的影響關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了理論模型的正確性，可以認(rèn)為采用有限元方法對(duì)帶有劃痕的軸頸軸承進(jìn)行油膜特性分析的結(jié)果是可信的。

2）在典型工況下，劃痕會(huì)增加軸承的溫升，降低軸承的最小油膜厚度，但最大油膜壓力并不一定會(huì)增大，當(dāng)劃痕較淺且位于軸承瓦塊徑向中部時(shí)，軸承最大油膜壓力反而會(huì)略微降低，但油膜溫度還是會(huì)升高。當(dāng)存在劃痕時(shí)，油膜壓力的峰值會(huì)沿徑向向內(nèi)或向外偏移，導(dǎo)致軸承承載中心的偏移以及承載面積的減小，引起軸承的性能退化。

3）隨著載荷的升高、劃痕深度的增加都會(huì)導(dǎo)致斜平面推力軸承的最小油膜厚度減小，最大油膜壓力升高，溫升增加，摩擦力矩增大；隨著轉(zhuǎn)速增加，相比較于光滑軸承，有劃痕的軸承最小油膜厚度會(huì)略高，但軸承溫升還是會(huì)增加。在高速工況下淺劃痕會(huì)降低斜平面推力軸承的最大油膜壓力和摩擦力矩。

4）劃痕位置改變對(duì)軸承的各項(xiàng)性能也有著顯著影響。當(dāng)劃痕深度越深，且無(wú)量綱劃痕位置為0.5左右時(shí)，軸承具有最小的油膜厚度、最高的油膜溫度和最大的摩擦力矩，當(dāng)無(wú)量綱劃痕位置為0.35左右時(shí)，軸承具有最大的油膜壓力。劃痕深度及位置變化對(duì)推力軸承的摩擦力矩影響尤其顯著。劃痕會(huì)改變平行斜平面推力軸承的最大壓力區(qū)，位于瓦塊徑向中間位置的劃痕對(duì)軸承性能的影響更為顯著。