高速重载情况下弹性变形对可倾瓦推力轴承性能影响的研究
发布时间：2015-09-21朱礼进
（上海大学轴承研究室，上海 200072）
摘 要：本文主要考虑了三类弹性变形（瓦块工作表面的接触变形、瓦块工作表面由温升引起的变形（热变形）及瓦块的弯曲变形）对推力可倾瓦滑动轴承性能的影响。结果表明：在高速重载情况下，瓦块的弹性变形对滑动轴承各项润滑性能产生的影响不能忽略。
关键词：高速重载；弹性变形；可倾瓦推力轴承
经典的流体润滑理论通常假定与油膜接触的两个表面是刚性的。这种假设在载荷较轻的情况下对结果的影响并不大，因此在早期设计滑动轴承这一类低副接触元件时多采用“刚性假设”。随着生产实践的发展，人们发现在刚性假设条件下，理论上计算结果与实际测量值间存在较大的误差。特别在极端的工况下，例如重载情况下，滑动轴承不仅在轴瓦表层会发生接触变形，轴瓦整体也会发生弹性变形，甚至轴承座也会发生各种变形，此外还会发生热变形。轴承各零部件的变形对压力分布、温升、承载能力等性能的影响是不可忽视的。为了综合考察弹性变形对推力轴承润滑性能的影响，本文主要考虑了三类弹性变形，即瓦块工作表面的接触变形、瓦块工作表面由温升引的的变形（热变形）及瓦块的弯曲变形。由于推力轴承在润滑过程中，推力瓦块由于受压力场的作用将产生变形，从而引起油膜厚度的改变，产生推力瓦块压力场新的分布，进而使得整个温度场、粘度场发生变化。从而严重影响轴承的润滑工况。
1、弹性变形的计算
本文采用专用大型有限元软件ANSYS来求解弯曲变形和热变形。采用ANSYS软件求解，减少了输入大批数据的工作量，并减少了数据在输入过程中出错的现象。另外，使用该软件另一个优点就是：如果能保证建模过程和施加约束的准确性，就能保证得到准确的计算结果，大大提高了工作效率。同时只要对有限几个数据的修改（如瓦块的半径、厚度等），就能得到不同的瓦块解，极大地提高了适用范围，也方便对软件进行维护。
1.1用ANSYS结构模块求解弯曲变形、热变形步骤如下：
1）单元类型（采用PLANE42和SOLID45单元类型）和材料属性；
2）建立几何模型并划分网格如图1；
3）施加约束；
即将上一次迭代得出的支点位置处的位移设为零，也就是该支点对应的节点的位移为零。然后计算下一次支点位置；
4）施加载荷
将上一次迭代计算得出的压力值赋值到各个对应的节点。然后运行程序得到变形值。
用ANSYS求解温度变形步骤相同，但是将采用温度模块，将温度作为体载荷加到模型上即可。
1.2接触变形地计算
瓦块的接触变形采用Boussinessque解来计算，计算公式为：
μ1和μ2是镜板和巴氏合金的泊松比，E1和E2分别是镜板和巴氏合金的弹性模量。
求解的实质就是：用ANSYS分别计算出弯曲变形和热变形，由FORTRAN程序算出接触变形，然后加到膜厚方程上，此获得因弹性变形引起的油膜厚度变化。弹性变形计入差分法求解滑动轴承性能的过程中，将有限元法和差分法相互迭代，直至Z终收敛，求出考虑瓦块的弹性变形后滑动轴承的各项性能。推力瓦块按图1的网格进行均匀划分。
由于本文考虑的弹性变形包括由压力引起的弯曲变形、温升引起的热变形和接触变形，因此在计算过程中将三者分开，分别考察其对润滑性能的影响。图2表示分别计入上述三种变形的油膜压力分布图，图3表示分别计入上述三种变形的油膜温度分布图。
由图3、图4可以看出，可倾瓦推力轴承的接触变形对轴承的润滑性能影响很小，而弯曲变形和热变形的影响较大。由于考虑弹性变形使油膜的压力和温度都比不考虑弹性变形时的低，这说明在适当的情况下，弹性变形对改善轴承的润滑性能是有利的。
由图4、图5油膜压力分布图可以看出，Z大压力值发生在偏向轴瓦的出油边处。轴瓦的弹性变形对油膜压力的分布总的趋势没有改变，考虑弹性变形时的油膜压力峰值有明显的降低并且油膜压力的分布趋于平缓。由图6、图7油膜温度场分布图可以看出，温度曲面的总体趋势是一致的。沿周向从油膜进口处温度逐渐升高，到靠近出口处温度达到Z高值。沿轴向温度略微有所升高。
3、结论
以上通过计算得到压力及温度分布图可以明显地看出，弹性变形对滑动轴承的性能影响不能忽略，特别是在高速重载的工况下必须将弹性变形的因素考虑进去。
1）考虑弹性变形情况下滑动轴承的油膜压力峰值比不考虑弹性变形时的压力峰值有明显地降低，油膜的Z高温度值同时也降低了。
2）弯曲变形和热变形对轴承能够工作起决定性作用。而接触变形对轴承性能的影响远小于弯曲变形和热变形，可以忽略不计。
参考文献
[1]张直明主编.滑动轴承的流体动力润滑理论.北京：高等教育出版社，1984.
[2]温诗铸.摩擦学原理.北京：清华大学出版社，1990.
[3]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析.北京：机械工业出版社.2003.