气穴和热效应影响下高速动压滑动轴承静特性研究

王树圣，郭红，李瑞珍，张绍林

(郑州大学 机械工程学院，郑州 450001)

随着旋转机械向高速重载方向发展，动压滑动轴承的油膜温度场和黏度场分布越来越不均匀，热效应将显著影响其油膜特性[1-2]，同时又因冲击和压力下降等因素导致原本润滑油中溶解的气体释放出来或是液态润滑油变为油气后形成气穴，分析润滑油膜时考虑气穴的影响更接近实际油膜特征[3-4]，所以在研究轴承特性时综合考虑气穴和热效应影响更加符合实际工况。文献[5]在理论和试验的基础上，采用热流连续边界条件提出了滑动轴承一维温度场稳态计算模型。文献[6]采用耦合求解的方法分析了滑动轴承腔内润滑油的温度分布，并进行了流场等效温度的合理确定。文献[7]研究了气穴对径推浮环轴承压力场和静特性的影响，得出气穴使油膜压力峰值、承载力和摩擦功耗下降的结论。文献[8]应用ANSYS中的CFX模块在不同偏心率、宽径比和转速下分析了气穴现象对滑动轴承摩擦性能的影响。文献[9]研究发现，表面形貌和热效应对燃油泵滑动轴承的润滑性能存在直接影响，且偏心率越大，影响越明显。文献[10]提出了气液两相流润滑时轴承性能的数值求解方法，并讨论了流体性质对轴承主要运行参数的影响，发现气穴对轴承性能有显著影响。现基于上述文献建立相关数学模型，并采用有限差分法进行求解，进而对不同工况下计入气穴和热效应影响时高速动压滑动轴承的压力分布和静特性参数进行分析。

1 数学模型

高速动压滑动轴承的结构示意图如图1所示。图中，F为轴承载荷；φ为周向角度；O为轴承中心；Oj为轴颈中心；e为轴承与轴颈间的偏心距；ω为轴颈角速度。

图1 轴承结构示意图

1.1 气油两相流当量密度

由于计入气穴的影响，动压滑动轴承的润滑已变为气油两相流润滑。为方便研究，假设油液中的气泡很小且均匀分布，气泡随润滑油以相同速度流动，则两相流可视为单相拟Newton流体，其密度与油膜压力有关。

不考虑温度变化对密度的影响，润滑流体量纲一的当量密度[7]为

(1)

1.2 黏温关系

轴承采用常用润滑油，其黏度随温度升高而降低，压力对黏度的影响很小，可以忽略不计[11]。引入Reynolds黏温方程[12]

μ=μ0e-α(T-T0)，

(2)

式中：μ为润滑油黏度，Pa·s；α为黏温指数，℃-1；T为油膜温度，℃；T0为润滑油初始温度，取40 ℃。

1.3 油膜厚度

量纲一的油膜厚度为

(3)

式中：h为油膜厚度，mm；ε为偏心率。

1.4 Reynolds方程及压力边界条件

变密度、变黏度的量纲一的Reynolds方程为

(4)

压力边界条件选取Reynolds边界条件，表述为

(5)

1.5 能量方程及边界条件

绝热流动假设下变密度润滑油膜的量纲一的能量方程为

(6)

润滑油膜的温度边界条件为φ=0,T=T0,μ=μ0。

采用有限差分法联立求解密度-压力方程、黏温方程、Reynolds方程和能量方程，将压力和温度进行多次迭代修正，得到油膜密度场、黏度场、温度场和压力场分布，进而积分求得油膜各静特性参数。

2 计算结果与分析

高速动压滑动轴承的结构参数及运行参数见表1。

表1 高速动压滑动轴承的结构参数及运行参数

2.1 油膜的温度分布和压力分布

转速2×104r/min、含气率0.1、偏心率0.3时的油膜温度场分布如图2所示。沿着轴颈旋转方向，润滑油黏度使油质点不断消耗由轴颈供给的机械功，摩擦功耗转化为热量，并且在建立能量方程时假设润滑油绝热流动，故油膜温度从初始边界逐渐升高，在破裂边位置达到最大值。油膜轴向温度分布如图3所示。由于绝热流动的假设和封油边的影响，轴承两端面处(λ=±1)的油膜温度高于轴承中部(λ=0)的油膜温度，且随着周向角度的增大，二者温差越大。由于两端面处采用的差商格式不同导致轴承两端温度略有差异，这在图3中φ=0.6π和φ=0.8π处显现出来。

图2 油膜温度场

图3 轴向温度分布

转速为2×104r/min、偏心率0.3时油膜中部(λ=0)的压力分布及周向密度分别如图4、图5所示。气穴和热效应均会使油膜压力峰值下降，且随着转速的提高以及含气率和偏心率的增大，而下降得越明显；计入气穴影响时油膜提前破裂，油膜动压区变小。随着含气率增大，量纲一的密度减小，且含气率较高时，密度的降幅有所收窄。油膜最大压力的变化情况如图6所示，计入气穴和热效应影响使油膜量纲一的最大压力减小。

图4 周向压力分布

图5 量纲一的周向密度

图6 量纲一的最大压力(n=2×104 r/min)

2.2 油膜静特性参数

量纲一的承载力随转速、含气率、偏心率的变化情况如图7所示，在气穴和热效应影响下量纲一的承载力减小，且转速越高、偏心率和含气率越大，减小程度越明显。对比可知，小偏心率(ε≤0.4)下转速和含气率对量纲一的承载力影响不大，而在大偏心率下转速对量纲一的承载力影响较大。

图7 量纲一的承载力

量纲一的摩擦力变化情况如图8所示。计入气穴和热效应影响会使量纲一的摩擦力减小，但通过对比可知，计入气穴和温度影响后，含气率变化对量纲一的摩擦力影响几乎可以忽略，而转速对量纲一的摩擦力影响相对较明显。

图8 量纲一的摩擦力

计入气穴和热效应影响时油膜量纲一的端泄量如图9所示。在二者影响下，量纲一的端泄量增大。转速对量纲一的端泄量影响很小，而量纲一的端泄量增大主要是由于计入了气穴影响。

图9 量纲一的端泄量

3 结论

1)计入气穴和热效应影响后，高速动压滑动轴承油膜压力峰值随转速、含气率和偏心率的增大而下降得越明显，且在气穴的影响下油膜提前破裂，动压区变小。

2)在气穴和热效应影响下，高速动压滑动轴承量纲一的承载力和摩擦力减小，量纲一的端泄量增大。其中，量纲一的承载力随转速、含气率和偏心率的增大而减幅越大；转速对量纲一的承载力和摩擦力影响较大，而气穴对量纲一的端泄量影响较大。