滑动轴承动压特性的影响因素研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:李超,马庆镇,李连升,等滑动轴承动压特性的影响因素研究润滑与密封,():,():收稿日期:;修回日期:作者简介:李超(),男,工学硕士,高级工程师,研究方向为内燃机设计与开发。:。滑动轴承动压特性的影响因素研究李 超 马庆镇 李连升 董 朵(内燃机可靠性国家重点实验室,潍柴动力股份有限公司 山东潍坊)摘要:以某发动机惰齿轮轴承为研究对象,采用一维动力学方法进行多工况计算,针对油孔布置、载荷方向、载荷大小、轴承转速 种因素,分析滑动轴承润滑油流量、最小油膜厚度、偏位角、最大油膜压力 个动压特性参数的变化规律。结果表明:油孔布置和载荷方向主要对润滑油流
2、量有明显影响,而对其他 个动压特性参数影响较小;油孔数量越多,油孔在圆周方向上越靠近油膜厚度最大处,则润滑油流量越大;油孔分布越均匀,因载荷方向改变引起的流量波动越小;载荷大小和轴承转速对 个动压特性参数都有明显影响;随载荷增加,最大油膜压力大致呈线性增加,而其他 种动压特性的变化速率降低;随转速增大,最大油膜压力减小的速率逐渐降低,而其他 种动压特性大致呈线性增加。关键词:滑动轴承;动压特性;油膜;偏位角;润滑油流量中图分类号:(,):,:;内燃机中许多重要的零部件都在做高速旋转运动,而滑动轴承凭借承载能力强、抗震性好等优点,被广泛用于对此类零部件的支撑。滑动轴承的受力情况如图 所示,轴与轴
3、承在外载荷作用下会出现偏心,进而在最小油膜厚度点两侧出现收敛区和发散区。油膜在收敛区产生动压力,并与外载荷达到力平衡。滑动轴承运转过程的边界条件一旦发生变化,受力的平衡关系也会随之改变。因此对滑动轴承进行分析时应结合实际工况,综合考虑各种影响因素。描述滑动轴承状态的特性参数有很多,比如偏心距、偏位角、最大油膜压力、润滑油流量、润滑油温升、摩擦功等;影响滑动轴承动压特性的因素同样有很多,比如轴承自身结构、载荷、转速、润滑油特性、供油压力等。图 轴承油膜动压力 为了保证设计的合理性,需要分析滑动轴承动压特性参数和影响因素之间的关系,该问题目前已经有了较多研究成果。马文生等建立了基于短轴承非线性油膜
4、力模型,研究了转速对轴承动力学特性的影响。张帆等人以大型发电机试验用椭圆轴承为对象,给出了椭圆轴承温度压力和膜厚等润滑性能实测数据,并分析了轴承静态性能。谢翌等人采用流固顺序耦合的方法,得到不同轴颈转速下油膜压力、承载力、油膜组分分布以及轴瓦应力、应变随轴颈转速的变化规律。魏聿梁分析了多油槽滑动轴承油槽结构、位置、数目等参数对包括端泄量等轴承润滑特性参数的影响。吴超等人用 语言编制程序,计算了油膜轴承的压力分布、温度分布以及特性参数,研究了进油温度和轴颈转速对轴承特性参数的影响。毛亚洲等采用有限元方法对表面织构分布位置、不同界面滑移对滑移速度与摩擦力的作用规律进行研究。杨国栋等以某船用滑动轴承
5、为研究对象,建立了基于高阶单元的滑动轴承润滑计算模型,并分析了该方法对计算结果和效率的影响。刘洋洋等针对船用滑动轴承在低速水润滑工况下液膜承载能力不足,导致局部固体接触碰磨的问题,研究了表面粗糙度对混合润滑性能的影响。孙晓霞等分析了齿轮系统的弹流润滑特性,并进行不同转速下齿轮动力学与油膜润滑的耦合研究。彭立强等基于广义 方程,建立了圆柱滑动轴承贫油润滑模型,分析了入口油膜厚度对滑动轴承贫油润滑性能的影响。张一磊等分析比较了不同转速和不同偏心率下滑动轴承油膜压力场的分布和油膜压力极值的变化,并通过数值计算方法得到了稳定性临界曲线。刘栋等人利用“”软件计算了“湿态”下泵轴承转子系统瞬态响应,获得了
6、不同工况下的径向力分布规律。以上对轴承特性参数和影响因素的研究,仅对少量特性参数和影响因素进行了分析,对特性参数和影响因素的关系缺乏全面而又详细的描述。而且载荷方向作为影响因素之一,相关分析研究较少。本文作者选择润滑油流量、最小油膜厚度、偏位角、最大油膜压力 种关键动压特性参数,以及包括载荷方向在内的 种影响因素 油孔布置、载荷方向、载荷大小、轴承转速,通过大量的算例分析,探讨了滑动轴承动压特性的变化规律,并阐述其产生机制。计算模型建立 方案设计与影响因素选择以某发动机的齿轮轴承为研究对象,轴承的基本结构参数如表 所示。其中惰轮轴固定不动,轴承绕齿轮轴做高速旋转,油孔位于惰轮轴上。表 滑动轴承
7、的结构参数 参数数值轴承内直径 惰轮轴外直径 半径间隙 宽度 油孔直径 发动机采用了 润滑油,在 的高温情况下,润滑油密度为 ,动力黏度为 。根据发动机的实测主油道压力,定义轴承进出口压差为 。选择油孔布置方式作为研究的影响因素。在油孔直径不变的情况下,选取不同的油孔数量及位置,提出了 种不同的油孔设计方案,具体如表 所示。年第 期李 超等:滑动轴承动压特性的影响因素研究 表 油孔设计方案 方案编号孔数位置单孔均布双孔、均布三孔、非均布双孔、选择载荷方向、载荷大小、转速大小 种边界条件作为研究的影响因素,每种因素的初步取值如表 所示,文后根据客观条件略有调整。表 边界条件的取值 参数范围取值间
8、隔数量载荷方向载荷大小 转速大小 图 所示是在载荷方向为 的情况下,不同油孔方案的滑动轴承示意图,图中红色箭头代表惰轮轴对轴承施加载荷的方向。图 油孔设计方案示意:()单孔;()均布双孔;()均布三孔;()非均布双孔 :();();();()模型验证与动压特性参数选择轴承分析大都采用三维仿真,而文中为了对多因素多目标进行综合分析,需要计算大量的算例,所以采用一维计算方法,通过 软件进行仿真。选择 模板,并按前文给出的各项参数搭建仿真模型。该模型能够分析轴承的润滑油流量,同时兼顾受力、油膜温升和油孔布置的影响。其中流量求解选择 方程,该方程适用于求解齿轮轴轴承。为了确保 仿真模型的准确性,与参考
9、文献的仿真和试验结果进行对比。按文献中的滑动轴承参数搭建 模型,转速设为 ,分别将载荷设置为、,观察结果随载荷的变化情况。不同载荷下最大油膜压力和相对偏心距(偏心距 半径间隙)的对比结果分别如图、图 所示。仿真值与文献仿真值一致性较好,与文献试验值趋势一致,都是随载荷增大而增大,但数值有一定差异。不同载荷下偏位角的对比结果如图 所示。在低负荷时,仿真值偏高,在中高负荷时 仿真值与文献仿真值、文献试验值基本一致。图 不同载荷下最大油膜压力对比 图 不同载荷下相对偏心距对比 图 不同载荷下偏位角对比 润滑与密封第 卷造成差异的原因可能有:一维仿真模型简化条件影响,试验台架导轨对轴承的自由运动存在干
10、扰,试验台架轴承上的测点对油膜产生影响等。虽然结果存在差异,但各项结果随载荷的变化趋势是一致的,而且随载荷增加差异逐步减小,因此下文将采用 以上载荷展开分析。除了最大油膜压力、偏心距、偏位角,下文分析中增加了润滑油流量,共分析了润滑油流量、最小油膜厚度、偏位角、最大油膜压力 个动压特性参数。为了便于分析结果,将偏心距替换为最小油膜厚度。油孔布置和载荷方向的影响如果进行全因子试验设计,则需要计算 个工况,计算过程复杂,也会给数据分析造成困难。因此结合实际使用情况,对工况数量进行适当缩减。参考发动机惰轮轴的实际运转转速,将轴承转速设置为 ;选择 和 个载荷,分别代表滑动轴承轻载和重载情况。在此基础
11、上,首先对油孔布置和载荷方向展开分析,共需要完成 个工况计算。轻载工况在 载荷下进行 工况计算,得到不同载荷角度下 种油孔布置方案的润滑油流量曲线结果如图 所示。可知,随载荷角度的变化,润滑油流量曲线都有明显波动,证明载荷方向对润滑油流量有重要影响;不同油孔布置的润滑油流量曲线差异较大,证明油孔布置对润滑油流量也有重要影响。在载荷作用下滑动轴承产生偏心,油孔越靠近油膜最厚处,则流量越大,反之则减小,如图 所示。具体来说,对于单孔轴承,当油孔与油膜最薄处重合时,流量接近。对于均布双孔和三孔轴承,任意油孔与油膜最厚处重合时,流量最大;油膜最厚处位于任意两孔中间时,流量最小。对于非均布双孔轴承,当较
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