轴向槽对水润滑轴承承载能力的影响

毛福考　陈俐　陈万宏

摘 要： 本文以赛龙轴承为例，应用COMSOL软件分别对带轴向槽和不带轴向槽两型水润滑轴承的水膜厚度、压力分布、轴承承载力等进行数值计算与对比，分析轴向槽对水润滑轴承负载能力的影响。

关键词： 水润滑轴承；轴向水槽；承载能力

中图分类号：U664.2 文献标识码：A

Abstract： In this paper， elastic plastic bearings are taken as an example to calculate and comparethe water film thickness， pressure distribution and the load capacity of water lubricated journal bearingswith axial groove and without axial groove respectively with the COMSOL software. The effect of axial groove on the load capacity of water lubricated journal bearing is analyzed.

Key words： Water-lubricated journal bearing； Axial Water groove； Load capacity

1 概述

水润滑轴承与油润滑轴承相比，具有结构简单、无污染、维修方便等优点，为此采用水润滑轴承的船舶逐渐增多。为了保证轴承能够充分润滑与散热，往往需对水润滑轴承开轴向水槽，但开槽后轴承承载面积减少，承载能力有所降低。为了探讨这一问题，国内外对轴承开槽与否及水槽数目等作了一些研究，但对水膜厚度、水槽结构尺寸等对承载能力的影响尚未进行深入的探讨。本文基于数值分析方法，应用COMSOL软件对轴向开槽与不开槽水润滑轴承的润滑情况进行理论分析与比较，探讨水槽对轴承性能的影响。

2 水润滑轴承的数学模型及边界条件

2.1 数学模型

根据流体润滑理论，推导出三维Reynolds 方程[2]如下：

2.2 边界条件

本文选用 Reynolds 边界条件加以计算，Reynolds 边界条件认为液膜在轴承间隙内不是连续的，液膜在轴承扩散区的某处随着负压的增大而自然破裂，即破裂位置在经过最小液膜厚度 hmin之后的某一角度 处。

以Reynolds边界条件为前提进行数值计算：

（1）轴承轴向两端y=±L/2，P=0；轴承周向上润滑水膜起始边为：φ=0，p=0；终止边为：p=0， ；

（2）水膜在轴承内不连续，但压强连续分布。压强曲线始点在M0处，即最大水膜厚度处；压强曲线终点在M1处，即最小水膜厚度后某一位置；而最大压强在M2处，这两点对于偏心线OC对称分布，OC与竖直方向上的夹角即为轴承的偏位角γ，如图1所示；

（3）轴向开槽的径向轴承在水槽处压力为 0。

2. 3 约束条件

（1）假设轴承为刚性，轴在轴承中顺时针旋转，轴承固定在基座上。轴在轴向没有位移，在周向由于偏心的作用会发生位移；

（2）假设施加的载荷为集中载荷，其施加在轴的中间位置；

（3）假设水膜厚度在强压下可以无限薄，轴承与轴始终不接触。

3 轴承开槽与不开槽的润滑特性计算与分析

以某刚性轴承为例，利用COMSOL软件进行数值计算与分析，其参数见表1。在转速v=5 m/s和载荷比压p=0.3 MPa时，计算不开槽轴承和开槽轴承的液膜厚度及压力分布并进行对比分析，见图2～5。

由图2和图4可以看出：（1）不开槽轴承内的水膜压力分布方向从轴承上部竖直方向开始呈现两边低、中间高的抛物线趋势，局部最大压力存在于周向180°轴承中部附近；（2）开槽轴承只在槽与槽之间的板条部分才有水膜压力分布，抛物线趋势在轴向方向上没有不开槽轴承明显。在第5个水槽之后轴承内压力降到几乎为0。同时，轴承内的局部最大压力超过1 MPa，而不开槽轴承的局部最大压力只有0.7 MPa。这是因为轴承内水槽的存在导致轴承承载有效面积减小，导致局部最大压力增大。

由图3和图5可以看出：（1）不开槽轴承内的最小水膜厚度和局部最大压力的位置不相同，局部最大压力出现在最小水膜厚度前面某处；（2）开槽轴承由于水槽的存在，导致水槽处水膜无法形成，轴承表面的润滑区域出现间断区域，这个区域的分布位置和大小由水槽数目与宽度来决定。同时，由于水槽的存在使得轴承压力变大，水膜厚度与不开槽轴承相比在减小。

4 长径比对水润滑轴承润滑特性的影响

假设载荷为0.3 MPa，转速变化范围为1～10 m/s，轴承内径一定时，计算不同长径比下轴承性能的差异，计算结果如图6、图7所示。

由图6、图7可以看出：（1）相同长径比的轴承，随着转速的提高，最大水膜压力减小，最小水膜厚度变大；（2）在相同的转速下，轴承内径一定时，随着长径比的变大，最大水膜压力和最小水膜厚度并不是呈现单调性变化。在长径比达到1之前，最大水膜压力随着长径比的变大而减小，最小水膜厚度随着长径比的变大而变大；长径比为1时，最大水膜压力最小，最小水膜厚度最大；长径比大于1时，最大水膜压力随着长径比的变大而变大，最小水膜厚度则随着长径比的变大而减小。

5 结论

上述计算结果表明，带轴向槽与不带轴向槽的水润滑轴承相比，其承载能力有较大差异：

（1）轴向开槽水润滑径向轴承压力分布不连续，水槽处压力降低为0，槽与槽之间的水膜厚度和压力分布满足Reynolds分布；

（2）轴承开槽后承载力降低，在同样载荷下局部压力增大，对水膜的形成产生影响；

（3）轴承的长径比与轴承的压力分布和水膜厚度不呈单调性变化，轴承在长径比为1时，最大水膜压力最小，最小水膜厚度最大，此时的润滑性能较好。

参考文献

[1]周小林， 赵高晖， 王国钦等.水润滑尾轴承负载能力的分析[J] .上海理工

大学学报， 2004， 4（4）.

[2] 刘宇.高分子材料水润滑尾轴承数值计算及试验研究[D].武汉理工大

学，2010.

[3] Bhushan B.葛世荣译.摩擦学导论[M].机械工业出版社，2006.

[4]Bhushan B. Principles and Applications of Tribology [M].Wiley， New York，

1999.

[5]张直明.滑动轴承的流体动力润滑理论 [M].高等教育出版社，1986.