葉君香，許永利，郭中外，沈衛(wèi)英

1.浙江警官職業(yè)學(xué)院安全防范系，浙江杭州 310018；2.浙江申發(fā)軸瓦股份有限公司，浙江杭州 311800

0 引言

軸承是機(jī)械設(shè)備中重要的組成部分之一，也是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，根據(jù)摩擦特點(diǎn)分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，其中滑動(dòng)軸承在零部件中起到關(guān)鍵作用，如曲軸的滑動(dòng)軸承等。隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備對(duì)性能要求越來(lái)越高，滑動(dòng)軸承對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的安全和可靠性越來(lái)越重要，因此對(duì)滑動(dòng)軸承的性能要求也有了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，不僅要求滑動(dòng)軸承的承載能力變得更大，還需提升壽命和可靠性及減少振動(dòng)等綜合性能，為此需要從多個(gè)角度深入研究滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑特性。

壁面滑移速度是滑動(dòng)軸承在工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象[1-5]，當(dāng)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度小于流體得到的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，兩者的差值就是壁面滑移速度。根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，出現(xiàn)壁面滑移速度有利于減小軸承的摩擦阻力和摩擦因數(shù)[3-8]。為了研究壁面滑移速度對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響，本文利用CFD對(duì)滑動(dòng)軸承在發(fā)生壁面滑移現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，定量研究壁面滑移速度對(duì)滑動(dòng)軸承的承載力、扭矩和壓力分布的影響，綜合評(píng)價(jià)壁面滑移速度對(duì)軸承性能的影響[6-10]。

1 滑動(dòng)軸承模型的建立

1.1 滑動(dòng)軸承模型的網(wǎng)格及邊界設(shè)置

設(shè)定軸承直徑D=30 cm，載荷F=32 500 N，轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承是自動(dòng)調(diào)心式，在軸承兩端有兩個(gè)供油管，進(jìn)油溫度為40 ℃。在Workbench建立模型，并在菜單欄中選擇CFX雙擊Geometry進(jìn)入建立界面。先繪制草圖然后拉伸建立模型，建模完成之后就可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。這個(gè)軟件會(huì)對(duì)建完的模型自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但因?yàn)榛瑒?dòng)軸承中間油膜的厚度很薄，所以需要對(duì)其放大處理后重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再通過(guò)MATLAB編寫(xiě)程序?qū)⒎糯蟮挠湍さ攘靠s小代替之前滑動(dòng)軸承模型的油膜?；瑒?dòng)軸承的網(wǎng)格示意如圖1所示。

圖1 滑動(dòng)軸承的網(wǎng)格示意

劃分完網(wǎng)格后，需要對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置。導(dǎo)入Mesh文件，先設(shè)置滑動(dòng)軸承材料的參數(shù)：進(jìn)口壓力為0.15 MPa，出口壓力為100 Pa，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，油的密度為850 kg/m3。然后在CFD中選擇“Finite Slip Wall”，這是有限元滑動(dòng)墻，只適用于層流。當(dāng)壁面剪應(yīng)力大于臨界應(yīng)力時(shí)，在不直接求解的情況下，計(jì)算了剪切變薄邊界層邊緣的壁面速度。ANSYS CFX通過(guò)使用移動(dòng)壁面模擬滑移，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Uw為剪切變薄邊界層邊緣的壁面速度；Us為滑移速度；τc為臨界應(yīng)力；τn為正應(yīng)力；τ為壁面剪應(yīng)力；m為正功率；B為壓力系數(shù)；p為壓力。

1.2 滑動(dòng)軸承計(jì)算模型和參數(shù)

1.2.1 計(jì)算軸承特性數(shù)

軸承特性數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)滑動(dòng)軸承工作狀態(tài)的無(wú)因次數(shù)，其計(jì)算公式為：

(2)

式中：ω為角速度；ψ為選定間隙比；pm為平均壓力；η為黏度，η=1.5×10-6N·s/cm2。

1.2.2 計(jì)算最小油膜厚度

最小油膜厚度是某一瞬間軸承油膜厚度的最小值，其計(jì)算公式為：

hmin=c(1-ε)

(3)

式中：ε為軸承偏心率；c為半徑間隙。

通過(guò)式(3)計(jì)算得出hmin=0.019 8 cm。

1.2.3 設(shè)定軸頸與軸瓦表面粗糙度和不平度平均高度

按使用要求設(shè)定軸頸表面粗糙度，軸頸表面不平度平均高度h1=0.000 32 cm；按使用要求設(shè)定軸瓦表面粗糙度，軸瓦表面不平度平均高度h2=0.000 63 cm。

1.2.4 計(jì)算軸頸撓度和軸頸偏移量

軸頸撓度一般用來(lái)衡量軸頸的水平，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：B為軸承寬度；D為軸承內(nèi)徑。

通過(guò)式(4)計(jì)算得出γ1=1.129×10-8cm。由于設(shè)計(jì)的滑動(dòng)軸承為自動(dòng)調(diào)心式，所以軸頸偏移量γ2=0。

1.2.5 計(jì)算許用最小油膜厚度并校核

最小油膜厚度[hmin]=S(R1+R2+γ1+γ2)=0.001 43 cm(取S=1.5)，由于hmin≥[hmin]，所以油膜厚度可以使用。

1.2.6 計(jì)算功耗

功耗，即功率的損耗，是輸入功率和輸出功率之間的差值，計(jì)算公式為：

N=Fμrω/1 000=μFψrω/1 000

(5)

式中：Fμ為摩擦力；μ為摩擦因數(shù)；F為荷載；r為軸半徑。

通過(guò)式(5)計(jì)算得出N=2 204 W。

1.2.7 計(jì)算總流量

kQ1為承載區(qū)流量系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]取值為0.12。

kQ2為非承載區(qū)流量系數(shù)，計(jì)算公式為：

(6)

式中：ps為供油壓力；ζ為系數(shù)。

通過(guò)式(6)計(jì)算得出kQ2=0.027 5。

kQ3為槽泄流量系數(shù)，根據(jù)滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)的要求，滑動(dòng)軸承需要兩個(gè)供油槽，所以選用的公式為：

(7)

式中：m為供油槽寬度；?為系數(shù)；a為阻油槽寬度。

通過(guò)式(7)計(jì)算得出kQ3=0.005。

總流量計(jì)算公式為：

Q=Q1+Q2+Q3=2(kQ1+kQ2+kQ3)Ψr2ωB

(8)

通過(guò)式(8)計(jì)算得出Q=1 293 cm3/s。

1.2.8 校核進(jìn)油溫度

滑動(dòng)軸承選定使用的潤(rùn)滑油為HU-22，預(yù)選平均油溫tm=56 ℃。計(jì)算潤(rùn)滑油溫升，計(jì)算公式為：

(9)

通過(guò)式(9)計(jì)算得出溫升Δt=10.1 ℃。

校核進(jìn)油溫度，計(jì)算公式為：

t1=tm-Δt

(10)

通過(guò)式(10)計(jì)算得出溫升t1=45.9 ℃，小于一般滑動(dòng)軸承規(guī)定的溫度65 ℃。

2 壁面滑移速度對(duì)軸承性能的影響分析

下面將在不同偏心率、不同滑移速度以及不同表面產(chǎn)生壁面滑移速度的條件下，研究滑移速度對(duì)軸承性能的影響，本文的壁面滑移速度取值分別為0.3、0.5、0.7、1.0、1.3 mm/s。

2.1 壁面滑移速度對(duì)承載力的影響

不同偏心率下壁面滑移速度對(duì)承載力的影響如圖2所示?；瑒?dòng)軸承出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象時(shí)，軸承受到的承載力會(huì)有明顯降低。在同一偏心率下且軸承滑移速度也相同時(shí)，壁面滑移現(xiàn)象出現(xiàn)在軸面上軸承承載力的變化比在軸瓦上出現(xiàn)下降更快。而且隨著滑移速度的增加，軸面承載力下降得更快，說(shuō)明壁面滑移速度影響軸承承載力下降非常明顯。

圖2 不同偏心率下壁面滑移速度對(duì)承載力的影響

2.2 壁面滑移速度對(duì)扭矩的影響

不同偏心率下壁面滑移速度對(duì)扭矩的影響如圖3所示。扭矩變化和承載力變化相似，扭矩也因出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象而降低，軸面變化大于軸瓦的變化。當(dāng)壁面滑移速度增大時(shí)，扭矩下降速度加快，說(shuō)明壁面滑移速度越大軸承工作扭矩越小。而且相同滑移速度下，扭矩下降的速度相同，說(shuō)明扭矩下降速度與表面位置無(wú)關(guān)。

圖3 不同偏心率下壁面滑移速度對(duì)扭矩的影響

2.3 壁面滑移速度對(duì)壓力分布的影響

通過(guò)壁面滑移速度為0.3和1.3 mm/s的軸承壓力云圖的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著軸承滑移速度的增大，軸承受到的壓力會(huì)變小，說(shuō)明壁面滑移速度對(duì)軸承運(yùn)行時(shí)承受的壓力有影響，且滑移速度越大壓力也就越小，但是受壓面有擴(kuò)展的跡象。對(duì)相同滑動(dòng)軸承中出現(xiàn)壁面滑移速度不同形成的壓力進(jìn)行對(duì)比。偏心率分別為0.34、0.55、0.75的軸承壓力云圖如圖4至圖6所示。

圖4 偏心率為0.34的軸承壓力云圖

圖6 偏心率為0.75的軸承壓力云圖

3 結(jié)論

為研究壁面滑移速度對(duì)滑動(dòng)軸承性能的影響，利用CFD進(jìn)行滑動(dòng)軸承油膜性能數(shù)值計(jì)算，設(shè)置不同偏心率以及滑移速度，根據(jù)壁面滑移現(xiàn)象在軸承中出現(xiàn)的位置來(lái)研究壁面滑移速度對(duì)軸承性能的影響。

(1)當(dāng)軸承偏心率變大時(shí)，出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象時(shí)扭矩的減小也會(huì)變得更加明顯；當(dāng)壁面滑移現(xiàn)象出現(xiàn)在軸瓦時(shí)，其影響要高于出現(xiàn)在軸面時(shí)，但并不明顯；當(dāng)壁面滑移速度變大時(shí)，軸承的扭矩就會(huì)變小。

(2)通過(guò)分析可知，滑動(dòng)軸承的承載力會(huì)隨著壁面滑移速度的增大而減小，但承載力的變化速度也是相對(duì)恒定的；偏心率越大，承載力下降速度也越快。根據(jù)壓力云圖的對(duì)比可知，壁面滑移速度越大，滑動(dòng)軸承的最大壓力分布就越大。