动压油膜轴承研究现状与应用

　　摘　要：介绍了油膜轴承的特点、应用情况、发展动态和研究方向，对当前世界各国油膜轴承的应用及研究的焦点进行了分析，为我国油膜轴承的应用和研究提供参考。
　　关键词：动压油膜轴承；承载能力；MORGOIL轴承
　　油膜轴承亦称液体摩擦轴承，它是滑动轴承的一种，是各主要零件的加工精度、表面粗糙度以及各种相关参数（包括润滑油及载荷等）的匹配都非常理想的滑动轴承。工作时在轴与轴承的工作区域形成一个完整的压力油膜，使金属脱离接触，形成纯液体摩擦。油膜轴承按形成机理分为静压油膜轴承、动压油膜轴承和动静压油膜轴承。静压油膜轴承靠外部压力形成纯液体摩擦，因需要较为复杂的供油系统，应用较少；静动压油膜轴承在启动时靠外部压力形成油楔，正常工作时由外部压力和动压压力共同作用下形成纯液体摩擦；动压油膜轴承基于流体的动压原理；旋转的轴不断地把具有一定粘度的润滑油带入收敛的楔形间隙，由于润滑油在被轴卷吸入收敛的楔状间隙的过程中受到压迫，就产生了反抗力，当在载荷方向动压力之和足以能平衡外载荷时，在轴与轴承之间就形成了一个完整的压力油膜，使轴与轴承的表面脱离接触，形成纯液体摩擦。
　　1　动压油膜轴承的特点
　　油膜轴承具有很多优点，特别是动压油膜轴承在工作时由轴的自身转动，把油带入楔形间隙，即产生一定的动压承载能力，只要载荷、速度、间隙和油的粘度匹配得当，即可实现液体动压润滑。油膜轴承仅需要克服由于油的粘性而引起的摩擦功耗，由于油膜不能承受较大的剪切力，摩擦功耗很小，因此是一种Z方便Z经济的轴承，如在磨床中应用，特别在轧制机械中应用较为广泛。
　　（1）承载能力大 承载能力的大小是与滚动轴承相比较而言，相比的条件是轴承的外径尺寸相同，或者说与轴承箱配合的轴承座内孔直径的尺寸相同。根据前苏联的研究，带有油膜轴承的轧辊轴颈的强度比带有滚动轴承的轧辊颈强度高37%～50%^[1]。
　　（2）使用寿命长 从原理上说油膜轴承是液体摩擦轴承，不会发生磨损。但在实际中即使正确的使用和妥善的维修，也还会发生磨损，只是比较轻微而已。动压油膜轴承在启动时，还没有形成油楔，轴与轴承还处于接触之中，也会产生磨损，即使这样它的使用寿命还是比较高的，理论寿命为10～15年，实际寿命要短一些^[1]。
　　（3）速度范围宽 大型轧机油膜轴承的线速度可为40～59m/s，现在一般为60～70m/s，已经设计出100m/s的高速线材轧机^[1]。
　　（4）摩擦系数低 油膜轴承的摩擦系数比滚动轴承还要低，一般在0.002～0.005（0.008）之间。摩擦系数的降低将关系着很多能源的节省，这对整个世界能源紧张的现状来说有很大意义。
　　（5）抗冲击能力强 轴承的载荷就是所受的外载荷。具体到轧机上是轧制力，即轧件的变形抗力。轧件在被咬入后进行轧制，载荷是突然建立起来的，也属于冲击载荷。滚动轴承寿命短的原因之一是它不能承受较大的冲击载荷。而油膜轴承能抵抗强冲击载荷的主要原因是在轴与轴承之间存在着一层油膜，起到了缓冲作用。当轴受到冲击时，在油膜轴承中产生挤压效应，挤压效应以损失油膜厚度为代价，当轴承油膜发生变化时，其本身所产生的反作用力也迅速增加，从而抵抗了外加的冲击载荷。
　　2　油膜轴承的应用
　　油膜轴承在我国应用比较早，在20世纪50年代初期，我国鞍钢冷轧机厂的可逆轧机装备了油膜轴承。使用传统工艺，轧制压力不大，轧速也低，润滑系统简单，运行技术水平也相对比较低。
　　60～70年代，我国自行装备了轧机油膜轴承，多家轧机油膜轴承的投入运行，使我国轧机油膜轴承运行技术得以提高。
　　70～80年代，在我国相继成套引进的有:武汉钢铁公司的1700mm热、冷板材连轧机和上海宝山钢铁总厂的2050mm及2030mm热、冷板材连轧机MORGOIL轴承和MESTA轴承。
　　进入90年代以后，又成套引进了轧机和轧机油膜轴承（主要为MOROGIL轴承），而更多的是在买进二手轧钢设备的同时，又带进了油膜轴承，其主要类型也是MORGOIL轴承。这样，在一些主要类型的轧机上，比如线材轧机、半连轧机、连轧机以及型材轧机等都装备了油膜轴承。
　　在现代机器生产中，机器越来越向高速度和大功率方向发展，对轴承性能的要求也越来越高，越来越多的轧机由滚动轴承改为油膜轴承，许多大型机械如水轮机等也都采用油膜轴承。
　　3　国外发展动态
　　当今上流行的油膜轴承主要是：MORGOIL轴承、MESTA轴承、前苏联轴承、中国轴承和德萨轴承，他们都独立地发展了好多年，作了很多改进，都有自己的风格。但在科学发展迅速的今天，各个学科互相渗透，油膜轴承也互相靠近。
　　（1）MORGOIL轴承
　　此轴承是摩根公司1928年至1930年独立研制成功，并已装备在自己公司制造的轧机上。通过对半个多世纪的开发研究、设计制造及使用经验等的总结，不断改进，日益完善。现在它已被广泛地应用在热、冷板、带材连轧机及连续线材轧机等黑色及有色金属轧机上，居世界领先地位。
　　（2）MESTA轴承
　　MESTA轴承公司Z早生产的也是MORGOIL轴承，但后来分离出来，成为世界上一大轴承体系。它与MORGOIL轴承除了结构上不同之外，也花费了相当大的人力、财力进行产品开发。
　　（3）前苏联油膜轴承 他们自己称为液体摩擦轴承，早在50年代初，就已成功地应用在各类轧机上，取得了很大成绩。
　　（4）中国油膜轴承 中国油膜轴承是在苏联轧机轴承的基础上发展起来的。
　　4　研究方向
　　（1）对油膜厚度的研究^[2]油膜起着承受载荷减少摩擦及减少磨损的作用，对油膜厚度的研究直接影响油膜轴承的承载能力、油膜稳定性等方面，目前这方面的研究包括:油膜厚度的合理计算、雷诺方程的求解计算、Z小油膜厚度的合理确定（经济加工精度）^[3]及Z小油膜厚度分布状态的研究^[4]。
　　（2）对油膜轴承新结构的研究　油膜轴承的结构影响了油膜的分布，随着机械朝着高速化、大型化的发展，对油膜轴承的可靠性、安全性和稳定性有了更高的要求，除了传统的结构类型如圆轴承、错位圆轴承、椭圆轴承、可倾瓦轴承及多油叶轴承等之外，一些新类型的轴承不断推出:如圆与椭圆复合、瓦面上开设多种沟槽及具有复杂型线的特种轴承^[6]、变阶梯结构自适应径向滑动轴承的研究^[7]等。
　　（3）对油膜轴承动力特性的研究^[8]从动力学来说，油膜会影响转子的临界转速、转子不平衡所引起的振幅、过临界转速时的共振放大倍数，同时还影响转子系统的稳定特性。油膜在这些问题中通常起着弹簧和阻尼的作用，可以简化成线性化的弹簧常数和阻尼特性，它们的动力学计算和稳定性问题非常重要。
　　目前的研究中，油膜轴承所提供的油膜力往往体现出很强的非线性，线性力学分析已经不能解释许多重要的现象，越来越多的注意力集中到了非线性动力学的研究上^[10]，采用的方法主要有：模态综合法、有限元传递矩阵组合法、分块直接积分法及结构分析法等。非线性动力特性的研究使计算精度与实际情况更符合。
　　（4）对油膜轴承油膜稳定性方面的研究^[11]　油膜稳定性即油膜在一定转速下是否保持原状的特性。油膜轴承一旦发生油膜失稳，很快进入突发性的油膜振荡，将破坏油膜轴承的稳定运转，导致承载力不稳，转子转动不平衡，甚至很快损伤油膜轴承。对油膜轴承稳定性的研究主要包括油膜稳定性准则、油膜稳定机理及“失稳角速度”的计算等。
　　（5）油膜轴承的测试技术探讨^[12]　油膜轴承由于结构紧凑，密封严格，承载力大，因此对油膜的轴承各种参数的测试方法和各种传感元件的合理布置以及设计都需要很高的设计技术，因此新的测试技术和测试方法不断地被利用。测试的内容有：油膜厚度的测试、油膜力的测试、油膜温度场的测试、油膜动力刚度系数和阻尼系数的测试等。
　　（6）其他方面的更深入的研究如油膜轴承的密封、防止磨损^[13-14]、润滑油的性能^[15]、正确的装配与合理使用等，这些方面的研究必将使油膜轴承系统朝着更加完善，更加合理的方向发展。
　　油膜轴承已广泛应用，但目前在我国供求不平衡，许多油膜轴承只能依赖进口，价格昂贵。油膜轴承性能的研究具有很重要的理论和实用价值。
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