基于TRIZ的动静压滑动轴承油腔结构创新设计*

王立新 张玉环

(郑州大学机械与动力工程学院 河南郑州 450001)

油腔式动静压滑动轴承是基于动静压混合作用式的工作原理[1]。对于该类型轴承的油腔结构设计目的是充分利用动压效应和静压效应[2]。

径向动静压滑动轴承的油腔结构形式有很多，从油腔布置形式看，有螺旋槽轴承和人字型螺旋槽轴承[3-4]；从油腔形状看，主要有矩形油腔、门型油腔、回形油腔及它们的组合形式、油槽型油腔、角向小孔结构等[5-6]；按回油方式分，主要有无周向回油槽轴承、腔内孔式回油等[2,7]；从油腔面积方面看，主要有等面积油腔和不等面积油腔[2]；从油腔数量看，有三腔、四腔等[7]；从油腔的深度看，主要有浅腔、阶梯腔动静压轴承[7-8]等；从油腔与非油腔式轴承的组合看，有深浅腔的圆柱浮环动静压轴承[9]、具有动压楔面的静压腔[10]及具有静压进油口的动静压轴承[11]等。

如何利用已经研究出来的丰富轴承油腔结构知识提出一套根据设计工况要求进行创新的方法具有理论和实用价值，而TRIZ为解决该问题提供了一种可能渠道。

TRIZ理论是以苏联著名发明家阿奇舒勒为首的研究机构对大量高水平专利进行分析归纳并综合多学科领域知识后提出的。TRIZ理论在经过多年的发展后，形成了一套解决发明问题、产品创新问题等的九大经典理论体系[12]。其中TRIZ理论提供的冲突解决原理已在产品创新设计过程中得到广泛应用。刘志峰等[13]把其冲突解决原理应用在产品零部件间连接结构的可拆卸方面,并取得一定的创新设计成果。CEMPEL[14]通过应用 TRIZ 的冲突矩阵确定影响机器状态的关键参数，分析机械振动系统的运行状态。夏文涵等[15]利用冲突解决原理实现对不同直径管道的自适应检测机器人模块的产品创新设计。

本文作者在基于油腔式滑动轴承性能研究知识的基础上，利用TRIZ冲突解决原理，提出了一种结构创新设计的方法。

1 油腔结构创新设计方法

由工作原理知，动静压滑动油腔结构设计首先要满足的条件为正常工作时能充分发挥静压效应和动压效应，这可通过油膜的润滑性能间接体现；其次，考虑轴瓦结构的制造成本，可以从油腔结构的工艺性来体现。

由油腔结构设计要满足的条件可得其相应设计属性及属性要求如表 1所示。

表1 设计属性及属性要求

考虑改善这些油腔结构的设计属性是该类轴承油腔结构设计的实质。利用TRIZ冲突解决原理进行油腔结构创新设计时， 首先需要探究油腔结构的设计属性与TRIZ工程参数的映射关系。受绿色特性与TRIZ工程参数关联表的建立方法[16]的启发，可将油腔结构设计属性与TRIZ的48个工程参数[17]关联起来，其中48个工程参数如表 2所示。比如承载力是根据实际工况从大小和方向来度量的。其大小是通过油膜的合力来体现，油膜力可以用单位面积上的压力值来度量，故承载力大小可用TRIZ工程参数表19号压力来对应；不同工况或同一工况下轴承的承载力方向会发生变化，相应的油膜力要能适应外在环境的变化，故承载力的方向可与TRIZ工程参数表中32号适应性相关联。由于篇幅限制其他设计属性与TRIZ工程参数的关联关系在这里不再赘述。油腔结构设计属性与TRIZ工程参数的关联如表 3所示。

表2 TRIZ工程参数

表3 油腔结构设计属性与TRIZ工程参数关联

明确工程参数后，要判断是哪种类型矛盾。如果是技术矛盾，查矛盾矩阵表找相应的发明原理；如果是物理矛盾，利用分离原理，之后寻求相应的发明原理。发明原理是高度抽象的且是面向人的，故能否有效对产品进行改进或创新设计，是因人的知识水平和经验决定的，这样导致对不同经验和水平的设计者，有一定的操作限制。为了打破这种限制，文中分析现有油腔结构对其润滑性能的研究知识，总结出对油腔结构设计主要可以从利用油腔结构在轴瓦上的空间分布资源及油流在特定油腔结构随转子转动带来的差动资源来满足油腔结构设计的要求，进而明确油腔结构设计创新的角度，这样能利用现有研究知识把高度抽象的发明原理具体化。

由油腔结构对该类型轴承的润滑性能研究知识得到的油腔结构设计创新角度如表 4所示。

表4 油腔结构创新设计角度

利用TRIZ理论进行该类轴承油腔结构设计的流程如图 1所示。

图1 油腔结构创新设计流程

2 油腔式动静压滑动轴承的创新设计

2.1 问题陈述

由文献[18]对轴颈倾斜工况下滑动轴承的理论分析，随着倾斜角增大，越靠近端面的轴承与轴颈之间的间隙越小，间隙过小，会导致轴瓦与轴颈直接接触，发生严重事故。

倾斜角增大，最小油膜厚度值越小，最大油膜压力增加明显且摩擦功耗和温升加大。如果2种轴承，几何尺寸相近，工况条件相同，在同一偏心率下，油膜承载力越大，则能说明在同一外载荷下，其沿轴向最小油膜厚度就越大，相应地越靠近端面的轴承与轴颈接触摩擦风险就会降低。

2.2 创意生成与方案确定

故在该工况下，该类型轴承首要改善的设计属性为承载力值、温度和摩擦功耗。文中以经典高速四腔轴承结构为对比对象，考虑到新油腔结构会变复杂，相应地其工艺性会变差。查关联表 3，为了聚焦发明原理，可以把温度和摩擦功耗设计属性统一归为能量的损耗，承载力值对应为压力。故有三对技术矛盾为No19—No39,No27—No39和No14—No39，即如果油膜压力增加、温升降低，轴的转速提高，则油膜的润滑性能得到提升，但油腔的结构会变得复杂，故查TRIZ矛盾矩阵表得发明原理编号分别为2、1、35、17、16、31、8，10、14、35、1、29、30和35、13、28、1、8、29、17。这些发明原理编号对应的发明方法如表 5所示。

表5 发明原理

为了再次聚焦发明原理，取出现频率高的发明原理，同时考虑油腔结构设计创新角度得1、17、35号发明原理更具实用性。综合发明原理及油腔创新角度后，可生成的创意如表 6所示。

表6 油腔结构设计创意

根据以上创意，为了使轴承加工工艺性尽量好，选取创意方案为6个深浅腔双排交错布置的动静压滑动轴承。

四腔和六腔交错布置的内部油腔结构沿轴向展开示意图如图2和图3所示。

图2 四腔动静压滑动轴承油腔结构

图3 六腔动静压滑动轴承油腔结构

文中选取一种具有代表性的四腔滑动轴承几何尺寸。为了使润滑性能具有可比性，查轴承设计手册并对部分六腔轴承尺寸做修改，得它们的结构尺寸如表7所示。

表7 四腔、六腔轴瓦几何尺寸

2.3 性能分析

与差分法或有限元法相比，采用计算流体动力学方法即CFD软件对N-S动量方程直接进行求解，考虑了油膜曲率、径向流程变化及惯性项等因素的影响，其适用范围更广。文中用ICEM分别对四腔、六腔滑动轴承油膜进行网格划分并检查和保证网格质量，用FLUENT仿真分析其性能。

2.3.1 计算模型假设

(1)润滑油与轴颈和轴瓦之间无相对滑动；

(2)润滑油为绝热流动；

(3)不考虑轴颈与轴瓦的热变形；

(4)滑动轴承内部的流体不可压缩且其流态为三维定常流动；

(5)轴径倾斜后，轴的横截面形状和大小不发生改变，轴承的间隙变化仅取决于轴在轴承内的位置；

(6)滑动轴承倾斜轴颈的轴心线的中点位于轴瓦的轴向中心面上。

2.3.2 求解控制模型

故由模型假设可得其控制方程为

式中：v为速度矢量；ρ为润滑油密度；μ为润滑油动力黏度；fb为体积力项；p为流体微元体上的压力；T为温度;cp是比热容；κ是流体的传热系数;ST是黏性耗散项。

2.3.3 有限元模型建立

在CREO中建立油膜实体，并把模型导入ANSYS ICEM CFD中，采用O-Block块对油膜模型进行网格划分。其中进油孔和油膜厚度部位的局部放大如图 4和图 5所示。

图4 油孔过渡区的网格划分

图5 油膜厚度方向局部放大

2.3.4 计算条件确定

四腔轴承为4个深腔进油口进油，六腔为6个深腔进油口进油，其他条件一样，即边界采用压力入口，油腔入口压力为ps=1 MPa，入口温度T=298 K；出油口为轴承的2个端面，边界条件采用压力出口，与外界环境压力相等，压力为0.101 325 MPa；其他部分均为壁面边界。润滑油的密度为895 kg/m3。

2.3.5 求解结果及分析

在倾斜角为0.004，偏心率为0.6，并保持不变的情况下，改变轴颈的旋转速度，得到四腔和六腔结构轴承在不同转速下油膜的承载力和温升变化情况，分别如图6和图7所示。通过对比，可以看出在转速不大于15 000 r/min情况下，最高温度值是六腔结构略大于四腔结构，其温度差值最大为24 K，但六腔结构的承载力比四腔结构略有提升。超过15 000 r/min转速后，六腔结构油膜最高温度与四腔结构相差仍不大(其温度差值最大为27 K)，但六腔结构的承载力已明显大于四腔结构，且随转速的增大两者的承载力差值越大，承载力最大差值为3 330 N。故在高转速下，六腔结构承载力大于四腔结构，且随转速增加两者的差值有增大趋势。

图6 四、六腔轴承油膜承载力随转速的变化

图7 四、六腔轴承油膜最高温度随转速的变化

3 结论

(1)以前人对径向动静压滑动轴承的油腔结构和性能研究知识为基础，通过明确油腔结构设计属性，总结油腔结构可创新的角度，在TRIZ理论指导下，把结构设计属性映射为工程参数，进而建立起它们之间的关联，并利用矛盾矩阵表查找相应的发明原理并结合油腔可创新的角度，把高度抽象的发明原理具体化，进而提出该类轴承油腔结构创新设计创意。这为有效利用轴承结构研究知识指导轴承油腔结构创新设计提供了一种新的方法。

(2)对油腔式动静压滑动轴承进行创新设计，得到6个深浅腔双排交错布置的创意方案。在一定转速范围内，比较了同一倾斜角和偏心率的四腔和六腔结构的动静压滑动轴承的承载性能，证明六腔动静压滑动轴承的承载性能优于四腔动静压滑动轴承，验证设计方案的正确性，表明以TRIZ理论为指导，利用前人对液体油腔式径向动静压滑动轴承结构与性能分析的研究知识对油腔结构进行改进创新是可行的。