浅析流体动压滑动轴承优化设计

沈卫英　齐拓邈

（浙江省诸暨申发轴瓦有限公司，311800）

　　摘　要：在汽轮机、燃气轮机以及齿轮箱等动力传输系统中已经开始运用径向滑动轴承，并且径向滑动轴承具有较大的承载能力、功耗较小、耐冲击以及运转精度高等优点。为了能够保证滑动轴承承载能力以及定位精度得以提高，这就要控制滑动轴承的温升。随着工程应用开始对高转速以及高载荷滑动轴承的需求不断增加，此时滑动轴承的设计成为人们关注的焦点。

　　关键词：流体动压；滑动轴承；优化设计

　　1、前言

　　在船舶动力装置中，轴系动力传输系统是一个非常重要的组成部分，轴系的安全性、可靠性影响着舰船的动力性能。由于滑动轴承是船舶轴系重要的组成部分，因此滑动轴承起着定位以及承载的作用。对滑动轴承进行冷却可以使得轴承磨损得以减少，并且也可以使得轴承使用寿命得以增加。通过合理的润滑方式不仅可以使得滑动轴承摩擦性能得以改善，而且可以使得轴瓦温升得以降低。因此要对轴瓦结构进行优化设计，从而使得轴承的工作性能得以提高。

　　2、滑动轴承流场数学模型

　　在解决滑动轴承内的流场的时候需要充分考虑到空穴效应以及粘温效应，然而油膜温升值会受到滑油通流特性的影响，并且滑油的通流特性会使得滑油的粘度得以改变，因此在计算滑动轴承的时候，此时要考虑到滑油的通流特性、粘温效应以及粘性耗散等因素。如果滑动轴承转速较高的时候，此时流场内会出现湍流的现象。

　　2.1空穴模型

　　由于滑动轴承之内的空穴效应占据重要的地位，因此本文对滑动轴承的空穴模拟主要采用了“全空穴”的模型，并且流体主要是由滑油、蒸汽以及不溶解气体这三部分组成的。空穴现象的实质就是指气液两相之间的传质相变。

　　如果滑动轴承转速较高以及间隙较大的时候，此时滑动轴承的流场会出现脉动，并且也会呈现出湍流的性质。在层流运动中，流体主要做流体平滑的分层流动相邻两层的流体微团之间互相不参混，然而当分子之间发生碰撞以及交换的时候，此时的层流运动可以表现为一种有规则的流动。湍流是一种复杂的、不定常的、随机的漩涡运动，并且除了分子之间的碰撞之外，此时流体微团之间可以通过脉动掺混剧烈来进行交换质量以及动量。湍流的基本特征可以表现为：随机性或者脉动性。

　　2.2方程的离散

　　本文主要采用了控制容积法求解滑动轴承流场的输运方程。控制容积法的基本思路主要是指将计算区域划分为一系列的网格，并且每个网格节点至少有一个互相不重复的控制体积，然后将带求解的微分方程控制在每一个控制体上进行积分，此时会得到一组离散方程。因此控制容积法又被称为有限体积法，该方法的物理意义主要在于物理场变量在有限大小的控制体积内的守恒定律。

　　3、研究滑动轴承静特性

　　滑动轴承内的换热比较复杂，并且滑动轴承主要涉及到滑油与轴瓦内壁面之间的对流换热，轴瓦外壁面与外界的对流以及辐射进行换热，此时滑油粘性耗散而产生了摩擦热等现象。对流散热在高速轴承润滑系统中是Z主要的散热形式，并且占到总热量交换的90%左右，除此之外，由于滑动轴承内的温度梯度很大，因此温度会影响到滑油粘度。供油温度以及供油压力会对滑动轴承的静特性产生直接影响，并且通过选择合适的供油压力以及供油温度从而使得滑动轴承的工作性能得以提高。滑动轴承的空穴产生的原因主要分为以下两种：种，当滑油流入到非承载区后，此时油膜压力在不断下降，与同样温度下滑油的饱和压力相比较的时候，此时的压力降低，并且当滑油发生相变产生空穴的时候，此时被称为强烈空穴；第二种，在滑油中主要包括了不溶解的气泡，当滑油进入非承载区之后，由于气泡外界压强不断下降，Z终会使得气泡直径变大Z终油膜发生破裂。在不同的工作条件之下会使得华东轴承的空穴压力也不同，因此要对空穴压力对滑动轴承的影响进行深刻的研究。

　　滑动轴承的静特性主要是指滑动轴承稳定工作的时候在不同载荷之下，轴承的承载能力、摩擦系数、偏位角以及油膜压力以及温度等参数的分布规律。润滑油在经过供油孔之后，并且通过一定的压力以及温度流入到滑动轴承腔内，此时的压力以及温度被称为供油压力以及供油温度。轴颈旋转可以将润滑油代入收敛间隙，从而会产生流体动压，此时油膜压力的合力与轴颈上的载荷平衡，并且平衡位置主要偏于一侧。实际轴承在工作过程中，在发散段油膜压力的不断降低，溶解在润滑油内部的空气会形成气泡，Z终会使得油膜破裂。除此之外，如果压力比温度下润滑油的饱和压力低，滑油会发生相变变成蒸汽，因此滑动轴承散段发生空穴现象。

　　轴颈旋转作用会使得油膜受到壁面剪切力，并且会对轴颈产生摩擦阻力生成摩擦热。润滑油的一个作用可以将轴瓦与轴颈隔开，从而可以避免两者之间发生固体干摩擦，另一个作用就是可以将流体摩擦做功所产生的热量带走。由于润滑油的粘度会受到温度的影响，当润滑油的温度在上升的时候，此时粘度就会下降。如果轴承之内的润滑油的温度过高的时候，此时的润滑油粘度就会下降，并且也会降低油膜承载力，Z终造成了润滑失效。因此，要控制好滑动轴承的油膜Z高温度。通过粘度可以计算润滑油的粘温关系，并且有研究表明在一定的温度范围之内，润滑油的粘度与温度呈现出指数分布规律。当轴颈在高速旋转过程中，滑油在剪切力的作用之下会产生粘性耗散而生成摩擦热，并且此时会促使油膜温度在不断升高，当油膜温度升高之后，此时的润滑油的粘度在不断下降，粘度的下降会使得其承载能力在不断下降。

　　4、结束语

　　通过对滑动轴承内部的换热过程以及润滑油换热冷却机理进行合理的分析，得出轴承内部的热传导过程实质上是一个滑油流量、粘温特性、偏心率等参数相互结合的过程。通过计算之后然后进行对比，如果没有充分考虑到滑油的粘温效应以及能量方程，这就会影响轴承特性。本文通过对供油压力、供油温度、空穴压力多滑动轴承静特性以及空穴分布的影响进行分析，从而可以提高滑动轴承的摩擦系数。

　　参考文献

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来源：《中国科技博览》2014年第27期