轴颈倾斜对水润滑径向滑动轴承承载性能的影响

吴 杰

(上海涟屹轴承科技有限公司，上海 200245)

0 引言

径向滑动轴承的动压润滑主要依靠轴瓦与轴颈之间的楔形间隙，利用轴颈与轴瓦之间的相对转动在润滑介质的膜中产生压力，使轴颈与轴瓦脱离接触，轴颈与轴瓦之间的摩擦变为轴颈与润滑介质之间的摩擦，从而大大减小了轴承摩擦副的摩擦系数[1]。径向滑动轴承具有承载能力强、工作运行平稳、噪声低、能承受较大冲击载荷等优点，应用范围较为广泛[2]。当径向滑动轴承利用水作为润滑介质时，不但具有上述的优点，还可以减小对环境的污染，降低整个推进系统的复杂程度和成本，所以水润滑径向滑动轴承已经广泛应用于艉轴承、集成电机推进器等领域[3-4]。

滑动轴承在使用过程中，由于安装、载荷、冲击等原因，会使轴颈在轴承内产生一定角度的倾斜，使轴颈的轴线与轴承的轴线并不平行，倾斜后的轴颈会对滑动轴承的承载性能产生一定的影响[5-6]。针对这种情况，许多学者对产生倾斜后滑动轴承的润滑性能进行了研究，Fangrui Lv等[5]主要研究了在混合润滑状态下，壁面滑移和轴颈错位对轴承润滑性能的影响。Parkash Chandra Mishra[6]利用数学模型对轴颈偏斜、内径不规则等因素对椭圆轴承的润滑性能、温升等进行了分析。

1 径向滑动轴承及轴颈倾斜模型

在理想情况下，当轴颈静止时，轴承轴线与轴颈轴线相互平行并且处于一个理想平面内，但是在实际使用时，由于冲击、振动、安装误差等原因，轴颈轴线与轴承轴线并不平行，两条轴线之间会倾斜一定的角度。本文主要针对轴颈位于理想平面内，与轴承轴线发生倾斜时的情况，倾斜角度为轴颈轴线与轴承轴线之间的夹角，夹角的原点位于轴承的轴向中间截面内，径向滑动轴承及轴颈的倾斜示意图，如图1所示。

图1轴承的长度为L，轴承的内径为D，轴承长度L与轴承内径D的比值为轴承的长径比，轴颈轴线与轴承轴线的倾斜角度为β，轴承与轴颈之间的润滑介质为水。

轴承半径与轴颈半径之间的差值为轴承间隙，轴承圆心与轴颈圆心之间的距离为偏心距，偏心距与轴承间隙之间的比值为轴承的间隙比。

在实际计算中使用的轴承内径为350 mm，长径比分别为2、1.2、0.8，偏心距为0.9，轴承的间隙比为1.5‰，轴颈轴线与轴承轴线之间的倾斜角度取值分别为0°、0.001°、0.002°、0.003°、0.004°。

图1 径向滑动轴承及轴颈倾斜示意图

2 仿真计算

利用Fluent软件对水润滑径向轴承进行仿真计算，Fluent软件是世界CFD仿真领域最为全面的软件之一，具有广泛的物理模型，能够快速、准确地进行CFD仿真计算。图2～4为利用Fluent计算后，具有不同长径比的径向滑动轴承内的水膜压力分布云图。

图2 长径比为2

图3 长径比为1.2

图4 长径比为0.8

3 结果分析

3.1 水膜压力分布

图5为最大水膜压力与轴承长径比、轴颈倾斜角度的变化曲线，从图5可以看出水膜最大压力随着轴承长径比、轴颈倾斜角度的增大而增大，而且从图2～4可以看出，轴承的水膜压力分布的变化，水膜压力分布逐渐向轴承间隙变小的一端移动。

这是因为在相同的倾斜角度下，轴承的长径比越大，轴承与轴颈之间的最小间隙减小速度越快，不但引起水膜压力逐渐向间隙减小的一端移动，并且使最大水膜压力增大的速度加快。当轴承长径比为0.8，倾斜角度为0.002°、0.003°和0.004°时的最大水膜压力比无倾斜时的最大水膜压力分别增大了5.71%、12%和18.9%，而当长径比增大到1.2时，相同倾斜角度下最大水膜压力分别增大了24.2%、37.6%和49.4%。当长径比继续增加到2时，最大水膜压力对轴颈的倾斜角度的变化更加敏感，倾斜角度为0.001°和0.002°时，最大水膜压力增加了17%和29.2%，继续增加倾斜角度到0.003°和0.004°时，此时轴颈与轴承之间的最小间隙仅为几个微米，最大水膜压力分别增加了72.1%和635%。

3.2 轴承承载能力

图6为轴承承载能力与轴承长径比、轴颈倾斜角度的变化曲线，轴承的承载能力也会随着轴颈倾斜角度的增大而增大，但是相对于最大水膜压力的变化，轴承承载能力变化会相对平缓。

轴承长径比为0.8时，倾斜角度增加到0.003°和0.004°时，相对于无倾斜时的轴承，轴承的承载能力只增大了0.81%和1.10%。当轴承长径比增大到1.2时，轴承承载能力在倾斜角度为0.003°和0.004°时的增大量为3.84%和4.41%。轴承长径比增大到2时，在相同的倾斜角度下，轴承的承载能力分别增大了6.39%和27.24%，但是此时轴颈与轴承之间的间隙仅为几个微米，当倾斜角度为0.002°时，轴承承载能力仅增大了1.68%。

图5 最大水膜压力变化曲线

图6 轴承承载能力变化曲线

4 结论

利用CFD仿真软件对不同长径比的水润滑径向滑动轴承进行了计算，分析了轴颈倾斜角度对轴承承载性能的影响，并对比了不同轴承长径比情况下，最大水膜压力和轴承承载能力的变化，并且得出了以下结论。

1)在轴颈轴线相对轴承轴线发生倾斜时，轴承的水膜压力分布会逐渐向轴承间隙变小的一端移动，而且最大水膜压力会随着倾斜角度的增大而增大。

2)在倾斜角度相同的情况下，轴承的长径比越大，最大水膜压力对倾斜角度的变化越敏感，在倾斜角度为0.003°和0.004°条件下，轴承长径比为0.8时，最大水膜压力增大了12%和18.9%，长径比为1.2时，最大水膜应力增大了37.6%和49.4%，当长径比达到2时，此时轴颈与轴承之间的间隙只有几微米，最大水膜应力增大了72.1%和635%。

3)相对于最大水膜压力，轴承承载能力的变化要平缓很多，只有当轴颈与轴承的间隙减小到只有几微米时，轴承的承载能力才会发生大幅度的增加。