基于ANSYS轴承曲面轴瓦结构对流场的影响

周小龙，毛杰伟，刘文浩，王增鹏

(1.东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012；2.吉林石化工程设计有限公司，吉林 吉林 132012；3.中国石油吉林石化公司，吉林 吉林 132012)



基于ANSYS轴承曲面轴瓦结构对流场的影响

周小龙1，毛杰伟1，刘文浩2，王增鹏3

(1.东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012；2.吉林石化工程设计有限公司，吉林 吉林 132012；3.中国石油吉林石化公司，吉林 吉林 132012)

推力滑动轴承的轴颈和轴瓦是以面接触的形式进行滑动摩擦。如果轴颈和轴瓦之间没有稳定有效的油膜，待油膜破裂之后就会出现轴承与轴颈之间发生直接摩擦使得轴承失效，出现这种现象主要原因是由轴瓦的周向、径向的弯曲高度的取值不同所产生。通过推力滑动轴承的曲面轴瓦不同周向、径向结构进行了分析得出：靠近外径高压区域面积越大而且压力也越大，在轴承运转过程中出现这种压力分布的好处在于油膜稳定有效性相对于只有周向凸起的轴瓦要好。

曲面轴瓦；数值模拟；压力分布；周向结构；径向结构；流场

长久以来，滑动轴承很多独特的优点在许多重要场合的作用仍然至关重要[1]。如在高速、高精度等场合下，滑动轴承所起的作用比滚动轴承更为显著，而且在有些特殊的场合只有滑动轴承才能胜任[2-4]。由于动压油膜的存在，使得轴瓦和轴颈之间的摩擦和噪声减小很多，从而大大提高了轴承的承载能力[5]。如果使用方法不当很容易使动压油膜破裂，使得轴承失效。轴承的失效形式有很多种，所产生失效的原因也是多方面的。首先，结构设计不合理以及加工时的误差和配合达不到要求[6-8]；其次，材料的选择不当使得工作时达不到最佳状态；还有一些就是使用不当所造成[9-10]。

综上所述，滑动轴承磨损失效的形式有很多，也是比较复杂的，但其最根本的原因还是轴瓦的结构起着关键性的作用。本文是以动压滑动轴承为例，针对轴瓦的结构发生变化，观察波形曲面瓦推力滑动轴承能否形成有效流场。

1 模型建立及划分网格

图1 波形曲面瓦面形状特征

建立曲面轴瓦的模型如图1所示，假设周向弯曲高度为h1，径向弯曲高度为h2。为了发挥结构化网格和非结构化网格各自的优点和得到质量较高、计算速度快的网格结构，本文采用了混合网格划分方法对不同的区域油膜采取不同的网格类型[6-7，11]。油膜模型整体网格结构，如图2所示。

图2 油膜整体网格结构

2 轴瓦周向弯曲高度对轴承流场的影响

为了获得合理的结构优化，首先选取油膜厚度和径向弯曲高度h2分别取值为10 um和5 um，周向弯曲高度h1为变量。轴承模型结构参数的具体设置，如表1所示。

表1 轴承模型结构参数设置

图3 周向结构变化对轴承压力场的影响

通过图3可以看出，随着h1不断增加的同时，动压区域的面积随之减小，而轴承的承载力出现了先增加后减小的波动。

3 轴瓦径向弯曲高度对轴承流场的影响

为了对轴瓦结构考虑的更具全面性，下面对径向弯曲高度进行分析。选取周向弯曲高度和油膜厚度为固定值，径向的弯曲高度取值分别为0 um 、5 um 、10 um 、20 um，可以得到相应的压力分布，如图4所示。

图4 径向结构变化对轴承压力场的影响

从图4中可以看出，改变径向弯曲高度并没有形成有效的流体动压区。可见，在轴承运行过程中只改变径向弯曲高度不能形成有效的动压油膜。

4 结 论

由于这四点不足以代表流场的变化趋势，接下来将在0 um到20 um之间进行插入不同的弯曲高度值，记录下与之相对应的承载力，即可得到其波形曲面形状的变化曲线，如图5、图6所示。

周向弯曲高度改变所引起的承载力变化曲线，如图5所示。在h1为2 um时出现了波峰，随后逐渐减小。图6为径向弯曲高度改变所引起的承载力变化曲线，承载力随着径向弯曲高度的增加而逐渐减小。通过对比可以得到，对于这种周向上凸，径向下凹的曲面轴瓦，在油膜间隙周向收敛区域形成高压区，在周向发散区域形成负压区。由此可以看出，在轴承工作过程中，曲面轴瓦的周向结构的不同对形成有效流体动压油膜起关键性的作用。

综上所述，动压区域的形状发生了一定的变化，图中中间区域为高压区，首先被逐渐拉长，然后开始出现分裂，越是靠近外径高压区域面积越大压力也越大，越是靠近内径高压区域面积越小压力也越小。在轴承运转过程中出现这种压力分布的好处就是油膜稳定有效性相对于只有周向凸起的轴瓦要好。

图5 周向承载力变化曲线图6 径向承载力变化曲线

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Effect Based on ANSYS Bearing Surface Bearing Structure on Flow Field

ZHOU Xiao-long1，MAO Jie-wei1，LIU Wen-hao2，WANG Zeng-peng3

(1.The Engineering Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Jilin Petrochemical Engineering Design Co.，Ltd，Jilin Jilin 132012；3.China Petroleum Jilin Petrochemical Company，Jilin Jilin 132012)

The thrust bearing of axle neck and axle bush in the form of surface contact for sliding friction.If no stable effective between journal and bearing oil film，after the oil film rupture occurs in direct friction between bearing and journal bearing failure，appear this kind of phenomenon is the main reason is that the circumferential and radial bending height of bearing bush.Through the thrust bearing surface bearing different circumferential and radial structure is analyzed and concluded:High pressure area near the diameter and the greater the pressure is，the greater the appear this kind of pressure distribution in the process of bearing operation effectiveness is the benefits of oil film stability is better compared to only circumferential bulge of bearing bush.

Surface bearing；The numerical simulation；Pressure distribution；Circumferential structure；The radial structure；The flow field

2016-04-12

周小龙(1987-)，男，吉林省长春市人，东北电力大学工程训练教学中心助理实验师，硕士，主要研究方向：机械设计制造.

1005-2992(2016)05-0048-04

TH133.31

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