高速齿轮箱可倾瓦轴承性能研究

杨林杰 李俞峰 李娜娜 葛世祥 陈俊豪

摘 要：可倾瓦轴承的性能直接决定了高速齿轮箱的振动特性，本文重点研究了转速高于10 000 r/min的可倾瓦轴承性能的影响因素。转速升高后，支点偏移系数超过0.6后，对轴承最大油膜压力、功率损失及刚度阻尼系数的影响明显加强，结论将为高速齿轮箱设计提供理论依据。

关键词：高转速;齿轮箱;可倾瓦轴承;支点偏移系数

中图分类号：TH133.31文献标识码：A   文章编号：1003-5168（2021）21-0034-03

Study on the Performance of the Tilting Pad Bearing for High Speed Gear Box

YANG Linjie    LI Yufeng    LI Nana    GE Shixiang    CHEN Junhao

（Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou Henan. 450052）

Abstract： The vibration characteristics of the high-speed gear box is determined directly by the performance of t tilting pad bearings. This paper focused on the factors which affecting the performance of tilting pad bearings with rotational speed higher than 10 000 r/min. With the increasing of the rotational speed， when the pivot offset coefficient exceeds 0.6， the influence on the maximum film pressure， the stiffness and damping coefficients and the power loss the bearing is obviously strengthened. The conclusions of this article provide a theoretical basis for the design high-speed gear box.

Keywords： high speed; gear box; tilting pad bearing; pivot offset coefficient

对于高速旋转机械，衡量其性能的主要指标是振动，尤其是转速较高的情况[1]。目前高速齿轮箱中普遍采用可倾瓦轴承，齿轮箱振动性能的好坏主要决定于其可倾瓦轴承的设计。因此，可倾瓦轴承成为国内外高速齿轮箱的研究热点[2]。

国外对于可倾瓦軸承的研究最早可以追溯到20世纪，理论上基于Reyonlds方程。针对滑动轴承在工程上的应用问题，Lund[3]提出建立线性油膜力模型，将油膜力视为转子在平衡点附近位移和速度的线性函数，利用泰勒级数将其展开，当轴心在静平衡位置附近做小扰动时，基于求解Reyonlds方程得到4个油膜刚度系数和4个油膜阻尼系数来表示轴承动特性。White、Chan[4]与Kyung-Bo Bang[5]等，前者建立了湍流理论，修正了有限元力学模型并解出了针对可倾瓦滑动轴承的刚度及阻尼系数，后者在此基础上分析了转速、载荷、润滑油进油速度对可倾瓦滑动轴承功率损耗的影响。国内相应的研究起步较晚，大部分处于理论研究阶段，但总体水平发展较快。

本文以应用为前提，针对高速齿轮箱（转速高于10 000 r/min）关键部件可倾瓦径向轴承进行研究，通过理论分析与仿真，确定结构参数中的支点偏移系数对可倾瓦轴承工作性能的影响。

1 可倾瓦轴承性能分析的理论基础

可倾瓦滑动轴承的力学分析一直是高速旋转设备领域研究的热点。近年来，学者们对可倾瓦滑动轴承的完整动力学模型进行了全面而深入的理论计算，其基础为Reynolds方程。本文将利用Reynolds方程，对5块可倾瓦滑动轴承工作性能进行仿真分析，包括静态与动态两个方面。静态分析关键量包括功率损失、最大油膜压力、最小油膜厚度等。动态性能主要分析了轴承刚度与阻尼系数。

滑动轴承理论分析的基础是由层流牛顿流体的本构方程和Navier-Stokes方程推导后得到的Reynolds方程：

[??xh312μ?P?x+??zh312μ?p?z=U2?h?x+?h?t]

根据滑动轴承动压润滑特点，本文分析时做如下假设：

①润滑油为不可压缩流体。

②整个轴承内流动过程为定常层流。

③轴承间隙中的油膜厚度极小，认为在沿油膜厚度方向上无压力梯度。

2 可倾瓦轴承性能的模拟仿真

2.1 仿真软件及基础条件

本文运用DyRoBeS软件进行数值分析，所建轴承几何模型如图1所示，为便于说明，五块可倾瓦滑动轴承的间隙部分被适当放大。图中，O、[Oj]、[O1]分别为可倾瓦滑动轴承中心、第j块瓦块的圆心及旋转轴中心，[ βO]为瓦块的包角，[ θj]为每个瓦块的支点位置角，R为转轴半径，[Rp]为瓦块内表面半径，[Rb]为轴承半径。其他所需参数为：轴承直径D=40 mm，轴瓦宽度B=18 mm，瓦块中心角51.6°，预载荷系数为0.3，轴承载荷为339.373 N，润滑油选择VG-46。