汽轮机流体动压滑动轴承的优化设计

朱挺 陈燕

摘要：轴承是转子运转系统的关键零部件，相当于机械的关节。在机械设备的运转过程中，电机噪声、温度、振动等因素都会对轴承的使用寿命造成影响，而一旦轴承发生故障问题，将带来难以预料的严重后果。本文结合流体动压滑动轴承的影响因素，对汽轮机流体动压滑动轴承的优化设计进行探讨研究，为提升滑动轴承设计质量提供参考和借鉴。

关键词：汽轮机;流体动压;滑动轴承;优化设计

中图分类号：TH133.37                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0013-02

0  引言

滑动轴承广泛应用于机械设备领域，在高速、高精度、重载等场合下可以充分发挥性能，承受一定的冲击，因而在汽轮机、内燃机、搅拌机等机械设备中都有不错的应用。流体动压滑动轴承是表面完全被油膜分开的滑动轴承，而传统设计方法得到的滑动轴承存在耗油量大、温升高、承载能力低等不足，需要优化设计来提升滑动轴承的性能。

1  流体动压滑动轴承的工作原理和影响因素

1.1 流体动压滑动轴承的工作原理

滑动轴承工作部分是面接触，具有较强的承载能力，而油膜的存在能够消除工作面噪声、振动等因素的干扰，液体摩擦工作状态使摩擦系数很小，使用寿命较长。此外，滑动轴承对径向尺寸要求较低，和滚动轴承相比制造成本不高，且便于装配。根据压力成形方式滑动轴承可以分为流体静压和流體动压两类，其中流体静压轴承使用外部压力泵向轴承和轴的微小间隙泵入润滑油，形成压力油膜，而流体动压轴承以轴颈按一定转速相对轴承旋转，之间形成收敛的楔形间隙，高速旋转下带入润滑油自动形成压力来承载载荷，油膜压力与载荷平衡状态下轴颈会自动悬浮，当油膜厚度超过轴颈与轴承工作表面微观不平度总和，使轴颈与轴承工作表面完全分隔，从而形成液体摩擦状态。

流体动压滑动轴承和一般的滑动轴承相比，使用寿命更长，抗冲击、抗振动性能优秀，在高转速、高精度、耐冲击的特殊工作条件下可以表现出突出的优越性能，因而在汽轮机等各类回转机械中得到广泛应用。随着流体动压滑动轴承的普及应用，对流体动压滑动轴承的相关研究快速增加，如何优化流体动压滑动轴承设计，提高轴承的承载能力、摩擦学性能，延长使用寿命，成为研究领域的重点热门课题。

1.2 流体动压滑动轴承使用的影响因素

如果轴承内润滑油温度过高，会使润滑油粘度降低，影响油膜承载力，可能引发润滑失效的严重后果。因此，需要对流体动压滑动轴承运行过程中的影响因素有准确了解，结合实际使用工况对滑动轴承进行优化设计，才能有效提升滑动轴承各方面的性能，确保滑动轴承的安全稳定使用。在流体动压滑动轴承优化设计工作中，轴瓦的热变形是需要着重考虑的因素，需要了解流体动压滑动轴承的技术要求和工作环境，分析不同参数状态下对轴瓦温度、轴瓦径向热变形量的影响作用。

转速与轴瓦温度和热变形量的关系。为研究主轴转速对轴瓦温度和热变形的影响，在其他参数不变的前提下，选取1000r/min到3000r/min不同转速下对轴承进行数值仿真。从仿真结果可以看出，主轴转速增加的过程中，轴瓦温度呈现上升趋势，这是因为转速增加导致油液摩擦加剧，在液体摩擦过程中产生更多的热量。然而轴承转速的增加也会带入一定量的冷油，冷油与热油混合使得上升的温度区间并不大，控制在5%以内。而不同转速下轴瓦的热变形形态没有产生明显差异，随着轴瓦温度的升高热变形量也有所增加，增长幅度也在5%左右。

油压与轴瓦温度和热变形量的关系。同样，在其他参数不变的前提下，油压在0.1MPa到0.3MPa区间测试，数值仿真计算结果表明轴瓦温度场分别情况随着油压增加没有明显变化，轴瓦温度反而小幅度的降低。之所以产生这样的结果，原因在于油压增大时轴承端泄量也有增加，摩擦产生的热量被快速带走，导致增加油压后轴瓦温度出现轻微下降。而热变形量差距也并不明显，并和温度曲线保持一致，出现略微的减小。

环境温度与轴瓦温度和热变形量的关系。润滑油需要经过预热后再进入滑动轴承，这样可以降低管内输送压力，提高润滑油流量。在环境温度292K到300K区间的情况下，数值仿真结果表明环境温度增加轴瓦温度也有所增加，且与环境温度提升幅度保持一致，当环境温度上升8K时轴瓦温度也同样增加8K，表现出高度的同步，而热变形量也随之呈现一定幅度的增加。分析其原因，认为环境温度较低时润滑油粘度较高，流动的阻力系数高，润滑油在油槽处聚集，热变形量较小，而随着环境温度的升高，润滑油流动加快，轴瓦的热变形量也随之增加。

偏心率与轴瓦温度和热变形量的关系。建立0.3到0.7偏心率的轴承模型，进行数值仿真和数据拟合，结果表明轴承偏心率提高，会导致轴瓦温度和热变形量增加。原因在于偏心率增加会凸显轴与轴瓦间隙的楔形效应，使润滑油的摩擦进一步加剧，从而提升轴瓦温度和热变形量。

1.3 流体动压滑动轴承的设计模型

和传统设计方法相比，运用软件建立数据计算模型的方法可以对滑动轴承优化设计提供科学、可靠的建议。利用计算机软件强大的计算能力进行公式拟合和非线性约束问题求解，可以使滑动轴承在耗油量、温升、承载能力等性能方面得到改善。

建立模型需要确定滑动轴承的设计变量，包括轴承内径、轴承宽度、径向间隙、润滑油粘度、转速等参数，其中轴承内径等部分参数为已知项，可以从待定的参数中选出轴承宽度、径向间隙等作为设计变量。

滑动轴承性能指标主要包括耗油量、温升、承载能力等方面，可以利用耗用量、液体摩擦和承载量系数表征上述性能，建立目标函数。考虑到最小油膜厚度等约束条件的影响，需要确定轴承最小油膜厚度大于允许的最小值，温升最大值符合设计要求给定的温升范围，轴承的PV值小于允许值，润滑油粘度大于最小允许粘度，轴承平均压强小于允许值。

最后，根据建立的目标函数和约束条件，求解优化设计数学模型。由于借助先进的技术手段，可以降低优化设计的误差，提高计算求解的准确性和效率，为滑动轴承优化设计提供可靠的决策依据。

2  流体动压滑动轴承的设计优化

流体动压滑动轴承的设计需要考虑轴承自身的几何尺寸和转速、油压、环境温度、偏心率等运行参数，以及润滑油流量、摩擦功率，承载能力和油膜厚度关系等因素。需要先确保轴承可以得到足够的润滑，传导散热能力达标，可以适应不利的工作状态。需要考虑仅使用传导散热的情况下，轴承温度升高后如何将温度降到适宜范围，保障滑动轴承的稳定工作状态。在实际工作中，需要结合具体的要求，对相关参数进行优化调整，并在试验运行中验证设计成果，确保优化设计达到预定目标，可以在工作中有效应用。

2.1 优化设计参数

原来的轴承设计参数为内径70mm，宽度90mm，宽径比1.25;轴承间隙2D/1000，选用铸钢复合ZSnSb11Cu6材质;轴承比压0.95MPa，小于最大许用比压15MPa;油膜厚度最小为0.053mm，大于最小油膜厚度许用值0.009mm;轴承发热量77.8W，小于箱体散热量241W。

优化设计后，轴承内径不变，宽度缩小为55mm，宽径比0.75;轴承间隙在0.10mm到0.17mm之间，轴承材质使用25号钢复合ZSnSb11Cu6;轴承比压1.55MPa，低于最大许用比压;油膜厚度最小值0.063mm，大于最小许用厚度;轴承发热量168.6W，小于箱体散热量。

2.2 优化设计分析

滑动轴承的优化设计主要对轴承宽度、轴承间隙、轴承材料等参数进行优化调整，和原有设计作比较，轴承比压、油膜厚度等有所变化。之所以如此设计，原因在于宽轴承的优点在于油膜厚度均匀没有发生变化，而当出现非准直或轴挠曲，会使大量载荷集中在一端，导致边缘负载。只有将对油膜厚度影响控制在微米级内，才能发挥宽轴承的优势。因此宽轴承装配需要刮研来降低非准直或轴挠曲的影响。而使用窄轴瓦，可以在科学设计和精加工的条件下，无需刮研即可获得很好的效果。

2.3 优化设计试验

在对滑动轴承优化设计后，还需要对轴承成品进行试验，试验时间4个小时，载荷600N，轴承跨距1.2m，转速2950r/min，电动机功率400kW。在试验运行过程中，对滑动轴承的振动、温度等参数进行监测。

试验过程中的最大振动为2.1mm/s。在开始运转的十分钟内，轴承温度快速升高，这是由于轴承刚开始运转的状态下供油不足，未能形成稳定的动压油膜，存在干摩擦和边界摩擦现象，摩擦系数大，温升较快。

而在之后的2h内，轴承温度上升趋势变缓。这一阶段轴承传导散热量低于流体摩擦产生的热流量，温度继续保持上升趋势。但随着箱体温度升高，轴承传导散热量不断增加，温度上升趋势开始变缓。

在试验运行最后的近2个小时内，轴承温度基本保持不变，处于稳定运行的工作状态。经过前期的过渡阶段，轴承传导散热量与流体摩擦的热流量逐渐形成平衡状态，温度上升出现停滞。

试验结束后，优化设计的滑动轴承总体温升情况符合设计要求。

2.4 试验后拆检

在完成试验运行后，对轴承进行拆检，重点检查轴瓦、轴承处是否有明显变化。经过拆检，发现上轴瓦处没有明显变化，下轴瓦磨合区均匀。这表明转子仅有短时间内的干摩和边界摩擦现象，符合前文的分析结果，在刚开始运转和停机时没有进入液体摩擦状态，会短暂出现干摩擦和边界摩擦，正常运转过程中稳定的动压油膜形成了液体摩擦，因此轴瓦区域没有明显的磨合现象。

但拆检过程中发现轴瓦和轴表面出現多条划痕。在试验前，轴瓦和轴表面光滑无划痕，而试验运行后出现明显划痕，且从进油槽处开始，分析原因是润滑油中杂质较多导致。

拆检结果表明，优化设计后的滑动轴承性能良好，符合设计要求。和原有设计相比，无需装配作业时进行刮研，降低装配难度，提高装配效率，满足实际工作的要求。

因此，汽轮机流体动压滑动轴承的优化设计，不仅需要使用理论知识进行初步的设计，还需要结合实际工作需要，将理论和实践相结合，用理论来判断设计的科学性和合理性，用实践来证明设计的可行性和稳定性。轴承设计工作需要相关人员拥有渊博的理论知识储备和丰富的实践工作经验，掌握轴承设计与运行、维护等方面的知识和技巧。在轴承设计过程中，综合考虑各方面因素，除了轴承自身参数外，重点考虑润滑油、供油方式等方面的因素，以及轴承运行参数等情况，提高轴承设计的科学性、合理性和可行性。

3  结语

综上所述，流体动压滑动轴承在汽轮机等机械设备中得到广泛性的应用，而在实际运行中会受到各种微小的扰动，影响轴承运行的稳定性和使用寿命。而在滑动轴承设计工作中，应综合考虑轴承自身因素、运行参数等各方面情况，建立计算模型，并对优化设计轴承成品进行运行试验和拆检，确保轴承设计的质量。

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