止推轴承瓦面形面对油膜温度分布的影响

Influence of Thrust Bearing Pad Face Shape on Temperature DistributionXiao Jianhai Sheng Songen Bai Shaoxian ， Peng Xudong ，(1.College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 3 10032，China；2.The MOE Engineering Research Center of Process Equipment and Its Remanufacture，Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310032，China)Abstract：With consideration of thermo-viscosity efect，a mathematical model of thermo-hydrodynamic lubricated thrustbearings was presented.Oil film pressure and temperature distributions were obtained for six kinds of pad shapes includingplane shape，cylinder shape，transverse bend shape，anti-transverse bend shape，spherical shape and saddle shape.Influ-ences of film thickness，pad inclining angle and angular velocity on maximum film temperature and load capacity were nu-merically analyzed.The results show that oil film temperature reaches the maximum value at the outlet of pad outside radi-US.Both load capacity and maximum film temperature are decreased with the increasing of film thickness，while increasedwith the increasing of angular velocity.Load capacity is increased obviously and maximum temperature is decreased withthe increasing of pad inclining angle.Pad face shape has a signifcant influence on load capacity and film temperature。

Compared to the plane pad shape，the cylinder pad shape presents better lubricating performance with smaller temperaturerise and larger load capacity，while the transverse bend pad shape leads to worse lubricating perform ance with larger tern-perature rise and lower load capacity。

Keywords：thrust bearing；pad face shape；film temperature润滑油膜剪切发热使油膜温度升高，当油膜局部温度过高时导致油膜破裂形成无油膜摩擦，并损伤止推轴承表面。随着船舶等行业装备的发展，对止推轴承的承载能力和运行可靠性的要求不断提高 ，止推轴承的热流润滑特性日益受到人们的重视。何春勇等 采用数值分析方法研究了船用水润滑推力轴承扇形推力瓦的润滑性能，结果表明在推力瓦不同位置收稿日期：2012-09-27作者简介：肖建海 (1985-)，男，硕士研究生，主要从事流体润滑等研究.E-mail：xiaojianhai###126.com。

通讯作者 ：白少先，副研究员.E-mail：bsx###zjut.edu.on。

有着较大温度差 ，水膜最大厚度和最大压力、推力瓦最高温度和最大变形均出现在推力瓦周向出水口的位置。而止推轴承轴瓦温度分布直接受到瓦面形状的影响。Raimondi 较早开展了沿瓦面周向凸起的圆柱形面和沿瓦面径向凸起的横弯形面2种瓦面形面推力轴承的热流润滑性能分析。陈志澜等 。 进-步对平面形面、圆柱形面、马鞍形面、横弯形面、球形形面和反横弯形面等6种瓦面形面的润滑性能进行了研究，并对瓦面表面轮廓进行了优化设计。研究发现，沿周向凸起的瓦面形面及沿径向下凹的瓦面形面均是有利于形成收敛的油膜几何形状，可显著提高轴承润滑性2013年第2期 肖建海等：止推轴承瓦面形面对油膜温度分布的影响 59能，但是，人们尚未完全掌握止推轴承的热流润滑变化规律，特别是润滑介质的温黏特性和轴承形面结构的耦合作用对轴承润滑性能的影响规律。

本文作者基于流体润滑理论，考虑润滑油的温黏效应，建立了油润滑止推轴承瓦块形面结构热流润滑数学模型，重点数值分析了平面形面、圆柱形面、横弯形面、反横弯形面、球形形面和马鞍形面6种瓦面形面的油膜压力分布和温度分布，分析了不同膜厚、倾角和转速条件下轴承的承载能力和油膜温度的变化规律。

1 数学模型图1所示是止推轴承单个瓦块单元示意图，润滑区油膜压力分布计算的Reynolds方程为( 卫立( )6torOl rOr (1) ra 钉 卵ar， a 、式中：h为润滑膜厚度；P为油膜压力；∞为转速；p为润滑油密度；r、0分别为径向和周向坐标；叼为润滑油黏度。

PadInlet0图1 止推轴承单元瓦块结构示意图Fig 1 Schematic diagram of thrust beating pad unit流体动压润滑状态以对流散热为主，通成以不考虑传导散热，将润滑油流动视为绝热过程 ，容易得到润滑油膜能量方程为qo q 0r -12 pc[ ( ) ( 而 r～ - J盖JJ(2)式中：q q，分别为周向和径向流量；T为油膜温度；c 为润滑油比热容。

润滑剂温黏方程为叼r/。exp[ap-卢(T- )] (3)式中： 为黏度系数； 为黏温系数；叩。为润滑油初始黏度；7"0为油膜人口温度。

压力边界条件为P(ri)P(ro)P(-0.50。)P(0.50。)P(4)式中： 为轴瓦单元周向宽度；P 为标准大气压；并定义量纲-压力 P 。

P温度边界条件为To 5 7"o (5)式中： 为轴承润滑油入口温度。

为分析瓦块形面的影响，瓦体表面的形面方程采用文献 [4]的拱形曲面数学方程，其计算公式为hz ( - )4h。羞 ( -羞 )㈤式中：h 和h。分别为轴瓦沿周向和沿径向截面弯曲高度的参数；z为轴瓦瓦面形面的变形大校根据文献 [4]，当h 0，h 0时，表示沿周向平直和沿径向平直的平面形面；当 h：>0，h 0时，表示沿周向凸起和沿径向平直的圆柱形面；当h： 0，h。>0时，表示沿周向平直和沿径向凸起的横弯形面；当h ：0，h <0时，表示沿周向平直和沿径向下凹的反横弯形面；当h：>0，h >0时，表示沿周向凸起和沿径向凸起的球形形面；当 h >0，h <0时，表示沿周向凸起和沿径向下凹的马鞍形面。

表1 轴承的几何结构尺寸和工作参数Table 1 Structure and operating parameters of beating瓦块 内半径 Fi/mm瓦块外半径 ro/mm瓦块扇面宽度0o/rad轴瓦沿周向截面弯曲高度 / m轴瓦沿径向截面弯曲高度 hc/斗m入口润滑油温度 ro/C润滑油黏度 /(mPa·s)比热容c/(J·kg～·K )2 计算结果及分析图2所示为6种形面轴瓦表面油膜压力分布和温度分布∩以看出，瓦面形状对于压力分布和油膜温度分布影响明显。圆柱形、球面形和马鞍形3种形面在轴瓦润滑区的出口区出现负压区，这是由于轴瓦的∞∞ 。. -. ∞2013年第2期 肖建海等：止推轴承瓦面形面对油膜温度分布的影响 61可以看出：(1)随着油膜厚度的增加，最高油膜温度和承载力降低；(2)球形形面轴瓦的最高油膜温度最小，其次是圆柱形面轴瓦，平面形面轴瓦和横弯形面轴瓦最高油膜温度最大；(3)圆柱形面轴瓦承载力最大，其次是平面轴瓦，横弯形面轴瓦最校2.2 倾角的影响图4示出了倾角对油膜温度和承载力的影响∩以看出：(1)6种形面轴瓦的最大油膜温度随着倾角的增加呈现降低的趋势，但降低幅度不大，承载力随着倾角的增大而明显增大；(2)球形面轴瓦的最高油膜温度值最小，其次是圆柱形面轴瓦，横弯形面的最高油膜温度值最大； (3)当倾角 <35 rad时，圆柱形面轴瓦的承载力最大，最小的是横弯形面轴瓦，当倾角 >35 Ixrad时，平面形面轴瓦的承载力最大 ，当倾角 >40 Irad后 ，球形面轴瓦 的承载力最校- 平面形面轴瓦Incling angle/rad(a)0.000 O0 0.000 02 0.000 04 0.000 06lncling angle/rad(b)瓦图4 倾角对油膜温度和承载力的影响(h010 m， 52.36 rad/s)Fig 4 Influence of pad inclining angle on film temperatureand load capacity(ho10 m， 52.36 rad/s)2.3 转速的影响图5示出了转速对油膜温度和承载力的影响∩以看出：(1)随着转速的增加，6种形面轴瓦的最高油膜温度和承载力均增加。这是由于转速增大，油膜的剪切和挤压效应增强；(2)最高油膜温度最小的是球形面轴瓦，其次是圆柱形面轴瓦，最高油膜温度较大的是横弯形面轴瓦和平面形面轴瓦； (3)承载力最大的是圆柱形面轴瓦，最小的是横弯形面轴瓦，但转速达到-定值时，承载力最小的是球形面轴瓦。

12010080604050 100 150Angularveiocity co/(rad· )(a)- 平面形面轴瓦50 100 150Angular velocity oJ/(rad.s。

(b)图5 转速对油膜温度和承载力的影响(h015 Izm， 20 md)F 5 Infl uence of angular velocity on film temperatureand load capacity (h0：15 m， 20 Ixrad)从以上对6种轴瓦形面的分析可以看出，相对于平面形面轴瓦，圆柱形面轴瓦具有较高的承载能力和较小的油膜温升，润滑性能最好；横弯形面轴瓦效果最差，其承载能力最小，油膜温升最高，润滑性能最差。

3 结论(1)油膜最大温升出现在轴瓦的外径出口处，油膜最大温度随膜厚增大而减小，随转速的增加而增加，受轴瓦倾角的影响较小；轴瓦的承载能力随膜厚增大而明显减小，随轴瓦倾角和转速的增加而显著增加。 (下转第94页)； 声苗 盘目0 昌IIJ-々 昌 盘目Ix再誉5 2 9 6 3 嚣0-的井 暑 0Is茸0昌 宙； -卫 曩- 霉 毒暑 Il0毫 昌-H髓 加 ：2 加 sIf 再0-器0IⅡ0Is葺 置州盆润滑与密封 第 38卷脂；确保注脂螺塞丝扣无损坏，可灵活转动；保证单向阀处于正成开启状态。

1.壳体 2.中间法兰 3.缸体 4.液压缸 5.活塞杆6，7，8，9.井压盘根组 1O.油压盘根 l1.单向阀12.注腊螺塞 13.NPT熊堵 l4，l5.注脂盘根组l6.密封脂 l7.观察孔 l8.侧门盘根图7 侧门与活塞杆的密封结构图Fig 7 Seal structure of side door and piston rod5 结论对闸板防喷器关井过程中实现有效封井的4大密封，即闸板顶部与壳体的密封、闸板前端与钻杆的密封、壳体与侧门间的密封以及活塞杆与侧门间的密封的结构分别进行了介绍，对其各自的密封原理进行了分析，并结合塔里木油田和冀东油田闸板防喷器现场应用和维修情况，对4大密封部位影响因素和失效形式进行分析总结。