摘要：推力可傾瓦軸承瓦塊，在瓦背有一球面支點(diǎn)支承瓦塊，使瓦塊能夠自由調(diào)整。推力軸承瓦塊數(shù)量影響瓦塊的最高溫度、最大油膜壓力和最小油膜厚度。本文以一具體的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)求得推力軸承在工作載荷及轉(zhuǎn)速條件下的合理的瓦塊數(shù)量，使推力軸承具有最佳的運(yùn)行參數(shù)。

    關(guān)鍵詞：推力可傾瓦軸承    瓦塊數(shù)量    優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、前言

推力可傾瓦軸承瓦塊的結(jié)構(gòu)是一個(gè)扇形塊（如圖一所示），瓦塊背面有一球面支撐體作為支點(diǎn)，使瓦塊在工作過(guò)程中能夠靈活擺動(dòng)。除推力瓦塊支點(diǎn)影響到推力軸承的承載能力之外，在推力瓦塊的內(nèi)半徑R1、外半徑R2不變的情況下，推力瓦塊的夾角、和推力瓦塊數(shù)量N的變化也直接影響到軸承的承載能力。本文重點(diǎn)討論在大推力及高速情況下瓦塊夾角β和推力瓦塊數(shù)量N的變化對(duì)軸承的最高溫度和最小油膜厚度的影響，并給出最合理的瓦塊夾角β和瓦塊數(shù)N

 

                        圖（一）

 

 

二、理論分析

1、 膜厚方程

O為瓦塊支點(diǎn)，瓦塊繞O點(diǎn)作徑向及周向傾斜。

不考慮瓦塊的彈性變形，油膜厚度的函數(shù)表達(dá)式為：

                                  （1）

其中： －瓦塊支點(diǎn)處的油膜厚度          －瓦塊支點(diǎn)處的半徑

     －瓦塊的徑向和周向的傾斜角    －支點(diǎn)與進(jìn)油邊的夾角

     由流體力學(xué)原理，可以推導(dǎo)出二維雷諾（Reynolds）方程如下：

                                          

 （2）

化為圓柱坐標(biāo)形式如下：

                                                      

（3）

  －推力軸承鏡板角速度

而對(duì)于二維雷諾方程難以直接通過(guò)解析法求解得出壓力分布的統(tǒng)一公式，所以其求解必須借助于數(shù)值計(jì)算方法（如有限差分法），即先確定承載區(qū)四周邊界的壓力分布，進(jìn)而利用邊值問(wèn)題的求解方法獲得整個(gè)區(qū)域的壓力分布。

2、 能量方程

根據(jù)能量守恒定律，粘性流體流動(dòng)中的能量交換可用下列能量平衡方程加以描述：

         4

    －潤(rùn)滑油的密度

－潤(rùn)滑油的比熱系數(shù)

      溫度起始條件： ，

 

 由于油膜厚度與軸瓦徑向、周向尺寸相比很小，故在油膜的內(nèi)外側(cè)泄邊的邊界條件假設(shè)為絕熱，即：

   

   瓦塊的溫度分布由瓦塊的熱傳導(dǎo)方程求出。由熱力學(xué)可知，瓦塊的溫度控制方程為：

          

        假設(shè)：

(1) 物體是均勻且各向同性的；

(2) 導(dǎo)熱系數(shù)k 、比熱容 及密度 均為常數(shù)；

(3) 物體內(nèi)部沒(méi)有溫度躍變；

(4) 軸承系統(tǒng)為穩(wěn)定導(dǎo)熱， ；

 

(5) 系統(tǒng)無(wú)內(nèi)熱源；

 轉(zhuǎn)化為圓柱坐標(biāo)形式如下：

                                                              

（5）

          -軸瓦溫度    －是瓦塊厚度方向的坐標(biāo)

 軸瓦熱傳導(dǎo)方程的邊界條件： 油膜與軸瓦界面保持熱流連續(xù)

                                                           

   一般潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度隨溫度升高而很快降低。其關(guān)系可由近似的經(jīng)驗(yàn)公式表示，常采用如下的Reynolds粘溫關(guān)系式：

                                             

           （7）

其中： 是潤(rùn)滑油的溫粘指數(shù)， 為在溫度 下潤(rùn)滑油粘度（Pa*S）。

 

     以上是推力軸承運(yùn)動(dòng)方程式，據(jù)此方程組采用數(shù)值分析方法編程求解推力軸承的壓力分布、油膜厚度分布、溫度分布、軸承的功耗、軸承所需的潤(rùn)滑油流量等參數(shù)。

 

三、實(shí)例計(jì)算

以上海石化齒輪箱推力軸承為實(shí)例，軸承最大軸向力為24KN，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6258r/min，軸頸為190mm。設(shè)計(jì)推力軸承各參數(shù)并要求軸承具有最佳的運(yùn)行狀態(tài)。表（一）是推力瓦塊的設(shè)計(jì)參數(shù)，軸承內(nèi)外徑不變，改變推力瓦塊的張角和瓦塊數(shù)。N是瓦塊數(shù)，瓦塊張角β=360º/N-5ºº，單瓦塊所承受的載荷為P_N =24KN/N

 

表（一）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

根據(jù)表（一）的各瓦塊的參數(shù)計(jì)算出各軸承的最小油膜厚度、瓦塊的最高溫度和瓦塊的最大壓力如表（二）及圖三所示

 

表（二）

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四、數(shù)據(jù)分析

 

                               圖三

 

 

 

                             圖（四）

從圖（三）中可以看出，推力軸承隨著瓦塊數(shù)的增加，瓦塊最高溫度下降較快，但瓦塊數(shù)從10塊起，溫度下降就緩慢了，用14塊瓦和用15塊瓦的軸承最大溫差只有0.2℃了，再進(jìn)一步提高瓦塊數(shù)量，對(duì)軸承溫度的下降作用有限。

從圖（三）中可以看出，推力軸承隨著瓦塊數(shù)的增加，最大壓力也不斷增加，但增加緩慢，用6塊瓦與用15塊瓦最大壓力相差只有0.06MPa，對(duì)軸承影響不大。

從圖（三）中可以看出，推力軸承隨著瓦塊數(shù)的增加，最小油膜厚度由小→大→小，用10塊瓦最小油膜最厚為0.0809mm。

綜上所述，當(dāng)瓦塊數(shù)在10、11、12塊時(shí)瓦塊溫度、瓦塊壓力及最小油膜厚度都比較理想。瓦背支點(diǎn)和軸承座是點(diǎn)接觸，容易產(chǎn)生接觸變形，瓦塊數(shù)越多，單瓦所受載荷就越小，接觸點(diǎn)的壓力也就越小，因此瓦塊數(shù)越多越好，但從制造安裝的角度來(lái)看瓦塊數(shù)越少越好。綜合考慮各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，取12塊瓦是較為合理的,如圖（四）所示，此時(shí)瓦塊最高溫度為55.2℃，1.69 MPa，0.0751mm，完全滿(mǎn)足軸承的設(shè)計(jì)要求。