推力瓦表面轮廓造型浅析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

近些年，随着科学技术的进步与提高，推力轴承不仅需要工作在更高的转速下，并且需要承受重载荷，因此对推力轴承的润滑性能提出了更为严苛的要求。特别是需要更高的承载力来抵消轴向载荷，以及更小的摩擦系数、温升以及功耗来延长轴承的使用寿命。因此需要对轴承的结构进行改进，包括宏观结构和微观结构的设计改进。宏观结构的设计主要体现在支承形式的改变等方面，主要方法包括将原先的固定瓦改为可倾瓦、将原先的刚性支承变为弹性支承等，以提高轴承的承载力；微观结构的设计主要包括轴瓦表面织构和推力瓦型面设计两个方面。

1 推力轴承及推力瓦的结构形式流体动压推力轴承有多种结构形式，主要包括固定瓦推力轴承和可倾瓦推力轴承两大类。固定斜面瓦推力轴承是其 中常见的结构形式之- ，如图 1所示 。

其中，F：为轴向推力，7/为轴转速。流体动压润滑推力轴承主要由推力瓦、推力瓦支座以及推力环等组成。

当推力轴承工作时，推力瓦固定在瓦支座上不动，推力环随轴以某-恒定转速 转动，把润滑流体吸人收敛楔形间隙，从而形成流体动压润滑效应。

1-推力瓦；2-油膜；3-推力环l4-主轴；5-油槽；6-推力瓦支座图 l 推力轴承结构示意图目前 ，常见的推力轴承推力瓦结构形式主要有扇形推力瓦和圆形推力 瓦两种，如图 2所示 。圆形瓦虽然具有较大的水润滑冷却空间，有利于润滑流体的导出和引入，但其受力面积减小，比压相应加大，可靠性较低；扇形瓦能够充分利用结构空间以提高推力瓦的受力面积，在推力瓦倾角、圆心角、长宽比设计合理的条件下，采用扇形瓦更能够形成满足要求的润滑油膜，因而得到广泛的使用L1]。常见的扇形瓦结构形式主要包括阶梯瓦、斜面瓦、斜面平台瓦、螺旋瓦等。

2 国内外研究现状2.1 国 内研 究现状国内关于推力瓦表面轮廓造型的研究起步比较晚，赵红梅 利用三维热弹流动力润滑理论和有限元分析模型，对大型水电站分块可倾扇形瓦推力轴承较典型的瓦面形状进行了分析比较，给出最佳瓦面形状，并给出了在实际应用范围内变形比和支点位置的优化结果。张国贤和汪岩松[3 建立了沿周向微凸的推力瓦初始型面，利用热弹流数学分析模型进行了压力惩温度场等的分析，并通过实验对理论结果进行了验证，得出了-致的结论：由于平整的初始型面不能满足高载工况下轴承的工作要求，考虑到收敛性油楔将形成稳定的油膜并有承载能力，而瓦面的过度下凹将形成局部的发散性油楔，不利于油膜压力的建立，为此设计初始型面周向中间部分(高压区)适当凸起，其温度场和压力场分布都很合理。陈志澜L4 运用瓦面二次曲面数学模型和三维热弹流润滑性能分析软件，详细地计算分析了平面、圆柱面、马鞍面等 6种瓦面型面对润滑性能的影响，认为沿周向凸起及沿径向下凹的瓦面型面均有利于形成收敛油楔；确定了以周向弯曲比和径向弯曲比作为瓦面型面优化的设计变量及以最小油膜厚度和最大膜压比为目标函数的多 目标优化设计模型；采用协调曲线法，对三峡水轮发电机组推力轴承进收稿]期 ：201 2-08-02；修回日期：2012-09-02作者简介：刘奇 (1 986-)，男，山西太原人，在读硕士研究生，主要研究方向：推力轴承的流体动压润滑。

2013年第 l期 刘奇，等：推力瓦表面轮廓造型浅析 ·223 ·行了瓦面型面的多目标优化设计，从而显著提高了轴承的润滑性能。李忠等 提出了-种新型的螺旋面扇形瓦，并对其热动力学润滑性能与平面瓦进行了计算比较，结果表明比平面瓦承载能力大、油膜厚度大、温升孝功耗小，并且制造加工容易。王胁等 ]研究了推力瓦表面全程波纹型面和局部存在波纹对推力轴承润滑性能的影响，进-步分析了波形的分布、波数、波幅等因素对推力轴承承载力、油膜温度等性能的影响，结果表明：在局部叠加波纹时，波幅增加有利于轴承承载力的提高，使最高油膜温度下降，摩擦力增加，流量减小；波数增加，轴承性能的变化与波幅增加的效果类似，而其影响程度要大于波幅的影响。王胁等 利用三维热弹流分析理论，并结合有限差分法和有限元法，分析了9种不同的推力瓦初始型面，认为入口收敛、出口发散的初始型面有利于提高轴承的润滑性能。

高磊等 ]提出了-种新型的柱面弧形油楔推力滑动轴承，建立了数学模型，利用数值计算方法分析了各参数对轴承承载力、温升、泄漏量等润滑性能的影响，最终确定了各参数的最佳取值范围，并且此轴承正、反转具有相同的承载力，可通过磨削-次完成。

(a)扇形推力瓦 (b)圆形推力瓦图2 滑动推力轴承推力瓦结构形式图2.2 国外研 究现状国外关于推力瓦表面轮廓造型的研究比国内要早得多，并且研究的内容也更广泛和深入，理论也比国内成熟，但是仍然存在分歧。Purday9]和 Pinkus等[1o]根据他们各自独立的研究得出结论，认为-旦最型最大油膜厚度被固定不变，油膜的精确形状轮廓对轴承润滑性能的影响意义不大。然而，有少数学者认为油膜形状轮廓对轴承润滑性能的影响起到了非常重要的作用。Charnes等L1妇研究了阶梯瓦推力轴承，认为与斜面瓦推力轴承相 比，前者具有更高的承载力。

Bagci和 Singh等[1z3研究了具有指数型、悬链线、摆线型、半摆线型以及多项式型等不同表面轮廓的推力瓦轴承，认为与平面瓦推力轴承相比，具有不同轮廓的推力瓦轴承显著地提高了承载力。但是，以上诸多学者的研究仅仅局限于等温模型的假设，没有考虑温度因素的影响。

随着研究的深入，研究者发现推力环和推力瓦表面粗糙度对轴承润滑性能同样产生了很重要的作用。

许多研究者在推力瓦表面采用不同的表面粗糙度探究了其对轴承润滑性能的影响。Burton[a]采用正弦形式的粗糙度，而 Sharma和PandeyLl 采用随机粗糙度模型研究了其对轴承润滑性能的影响。

为了使研究更加符合轴承工作的实际工况，研究者利用二维或三维热弹流分析理论，考虑了温度对润滑性能的影响。为了得到更精确、收敛更快的数值解，建立了不同的油膜温度分布模型进行研究 分析。

Sharma和 Pandey[1 评估了两种温度轮廓近似法(勒记德多项式和抛物线多项式)所得结果的精确性，认为前者所得的数值解更加符合实际工况，并且进-步利用此方法研究了表面粗糙度对摆线轴瓦轮廓轴承润滑性能的影响，结果表明有摆线轮廓的轴承润滑性能得到了-定的提高，并且具有-定表面粗糙度的轮廓时轴承的润滑性能更是得到进-步的改进。M.Filon和 S.B.Glavatskih[1 建立了初始型面为锥形 PTFE可倾瓦推力轴承的 TEHD模型，研究发现初始型面对油膜厚度、温升有较大影响，对功耗影响不大。Sharma和 PandeyL1 ]对具有阶梯型、抛物线型、摆线型和悬线型等 4种不同表面轮廓的固定瓦滑块轴承进行了实验研究，结果表明具有摆线型轮廓的轴承的承载力得到了显著的提高。此外，国外学者[1 加]对表面波纹推力瓦滑动轴承进行了大量的研究，结果表明轴承的入口压力与出口压力比、波幅、波数、瓦倾角等因素对轴承的润滑性能也产生了重要的影响，并且具有波纹表面轮廓的滑动轴承承载能力得到了很大的提高。

3 研究的不足之处综上所述，关于推力瓦表面轮廓造型的研究，国内外学者已经做了大量的工作，但是仍然存在-些不足：①理论分析都是以稳态分析为主，而滑动轴承在启动、停止等不稳定状态下(边界或混合润滑)推力瓦表面轮廓造型会产生怎样的影响还有待于进-步探究；②研究主要以理论计算为主，缺乏足够的实验支撑验证，贴近滑动轴承真实工况的实验研究几乎没有；③理论设计出的表面轮廓形状大多都难于加工，成本高，不宜应用于实际生产中；④表面轮廓造型是-个非常复杂的问题，需要考虑诸多因素的影响，因此应该利用现有资源，建立起-套型面设计系统，为新型面的设计提供参考，并不断丰富该数据库系统。