表面微織構對滑動軸承支撐主軸穩定性的影響

鄭文斌, 裴世源, 洪軍

(西安交通大學現代設計與轉子軸承系統教育部重點實驗室, 710049, 西安)

表面微織構是通過一定的加工手段在摩擦副表面制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點陣[1]。實驗研究發現,對于水潤滑動靜壓軸承支撐主軸在強迫振動的條件下,相對于光滑主軸,具有微織構的主軸在軸頸處的振幅最高可下降60%[2],但是目前尚未見到有關微織構對系統穩定性影響的報道。

具有微織構的摩擦副對于潤滑性能的影響受到了摩擦學研究領域及滑動軸承研究領域廣泛的關注。于新奇等指出,轉速、微織構深孔的深度、微織構布置的密度等對于密封端面的摩擦扭矩有著很大的影響[3]。歷建全等指出,微織構在液體潤滑的條件下會降低摩擦副的摩擦系數[1]。劉東雷等指出,不同微織構對于摩擦表面的性能影響存在差異,且表面微織構能夠很明顯地改善摩擦系數[4]。Ravinder等發現,微織構截面形狀對于潤滑表面的摩擦系數影響很小,但微織構的尺寸則會明顯地影響摩擦系數[5]。林起崟等采用速度滑移的邊界條件類型進行實驗,結果表明微織構能減小摩擦阻力[6]。

表面微織構在滑動軸承領域的應用有許多學者進行了研究。陽雪兵等指出,利用微織構所產生的動壓效果能夠改善止推軸承承載能力以及軸承剛度下降的問題[7]。Ronen等發現微織構能夠有效地改善兩個平面之間產生的動壓效應[8]。Brizmer等認為,在軸承潤滑面的部分面積設置織構還具有階梯的聚集效應,有利于增加軸承的承載能力[9]。Fower等指出,微織構下生成承載力的原因主要是液體的空化作用以及滑動產生的剪切代入效應[10]。Samuel等認為,微織構產生壓力梯度的原因類似于在光滑壁面下流體通過收斂間隙,流體接收能量,并由于織構出入口耗散量不同,入口處機械能增加,進而建立新的壓力場[11]。Frederic等對不同流動狀態下的油膜壓力分析指出,表面上存在的空腔能夠改變了壁剪切應力,并且由于對流流體的慣性力而產生額外的升力和阻力作用[12]。王琳等通過實驗發現,添加表面微織構能夠顯著抑制主軸的振幅,可以提升軸承系統運行過程中的穩定性[2],但是針對表面微織構的參數變化與轉子系統間的影響關系沒有做深入的理論研究。

目前,對于微織構的研究主要還是集中于摩擦副結構中的摩擦及磨損,對于滑動軸承應用微織構的研究主要集中在微織構產生的局部收斂區域的動壓效應、流場的求解及壓力場分布的分析。本文主要分析了微織構作用下軸承及轉子系統的動靜特性,通過CFD仿真求解的方法,分析了織構參數變化對系統穩定性的影響。

1 研究方法

1.1 模型建立

本文研究對象是一種徑向支撐主軸的動壓滑動環槽軸承,軸承結構如圖1所示。

圖1 環槽軸承(CGJB)結構示意圖[13]

已知軸承及主軸在室溫下的加工精度,但溫升及離心膨脹在運行過程中引起的尺寸變化將改變軸承間隙大小,間隙變化對軸承轉子系統的各項特性參數有很大影響,為消除誤差,本文通過理論計算及有限元計算驗證將系統運行過程時熱膨脹[14]及離心膨脹[15]對軸承尺寸的影響進行補償,熱膨脹、離心膨脹的表達式為

(1)

(2)

式中:S1、S2為半徑變化量;r為半徑;R為最大半徑;ρ為密度;ω為角速度;E為彈性模量;ν為泊松比。通過補償,修正后的仿真實驗參數是:主軸直徑為99.900 mm,軸承內徑為100.038 mm,軸承寬度為20 mm,轉速為4 000 r/min,軸承間隙為0.069 mm,主軸偏心率為0.8,空化壓力為0.056 MPa,液體黏度為0.012 Pa·s,潤滑油密度為872 kg/m3。本文所采用的織構模型為主軸表面軸向分布的凹槽,在周向上均勻分布。對深度、寬度、數量等參數進行歸一化處理,引入一個新的長度參考量L——主軸周長與織構周向分布數量的比值,定義為織構寬度,定義單一織構的凹槽深度d與L的比值d/L為深寬比,單一織構凹槽的寬度B與L的比值B/L為徑寬比,定義織構的凹槽深度d與軸承間隙C的比值d/C為深隙比,以深隙比為主自變量,以此3個變量作為衡量織構特征的參數。

1.2 網格劃分

采用ANSYS的APDL語言對模型進行參數化建模及網格劃分,潤滑油膜網格劃分的模型、無織構和有織構的模型網格如圖2、3所示?？棙嫈盗坎捎弥芟虿贾?網格劃分選擇結構化網格,實際模型已經添加了主軸的偏心率,主軸的偏心方向為y軸負方向。網格劃分如下:軸承寬度方向為20,油膜厚度方向為5,織構深度為5,周向劃分數量為720,總單元數量為1.44×105,總節點數為1.814×105。本研究已經對網格的無關性進行過驗證,在網格節點數達到1×105以上時網格的疏密程度對于計算結果的誤差影響很小,可忽略不計。

圖2 軸承油膜網格劃分模型

(a)無織構 (b)有織構圖3 織構的模型網格示意圖

1.3 邊界及求解器設置

本文中所采用的模型是以軸承及主軸間隙中產生的油膜作為計算對象,其包含的邊界為主軸表面(包括織構)、軸承內壁面、壓力入口(即潤滑油入口)、潤滑油出口。主軸表面邊界條件為固定壁面。軸承內壁面邊界條件是繞軸心的旋轉,轉速為4 000 r/min,轉化成角速度為419 rad/s。壓力入口、出口分別設定供油壓力,入口設定為0.2 MPa,出口設為大氣壓。因為實驗得到的熱量求解邊界條件不足,本文的溫升求解采用轉速、扭矩、黏度來對產生的熱量進行計算,再通過潤滑油比熱容及流量將熱量進行平均得到衡量溫升的參數,定義為平均溫升。

求解器設置為SIMPLEC算法,為衡量空化現象對軸承的運行狀態的影響,采用兩相流計算模型對軸承油膜進行仿真,多相流模型為Mixture,空化后兩相分別為潤滑油和空氣,局部(最小油膜厚度下游區域)產生的空化效應將導致該區域壓力大幅降低,空化壓力取實驗得到的最小壓力值0.056 MPa。

2 結果分析

2.1 正確性驗證

對照組為文獻[13]的實驗結果,該實驗通過將18個壓力傳感器沿圓周均勻分3組、軸向6組進行布置,根據不同加載角度,重復測量13次為一周次實驗,同時對誤差進行計算修正,完整測得了一種環槽軸承內壁面運行過程中共216點的壓力值,可以詳細表示軸承壓力分布的特征。

環槽軸承在4 000 r/min轉速下的壓力分布結果和通過實驗仿真得到的油膜壓力分布如圖4所示。通過對比發現,采用CFD仿真方法求解出的壓力分布趨勢與通過實驗實測得的壓力分布吻合度很好,由此驗證了模型的正確性。壓力分布在最高點處存在差異,軸承中部周向壓力分布結果如圖5所示。由圖4、5對比可知,兩者存在一定的差異,這是因為該實驗設定及可測量的邊界條件不足,無法進行能量方程的求解,而油膜最小厚度區域局部熱量集中。還有,因為不同金屬熱膨脹系數不一致,所以對于溫度集中區域間隙變化不均勻,導致局部間隙縮小,壓力升高。局部區域壓力存在差異,但總體分布趨勢一致,說明在忽略溫度分布不均對系統的影響條件下,CFD仿真方法可較為準確地仿真出軸承在實際運行過程中的壓力分布情況。因此,對于滑動軸承支撐主軸穩定性,采用CFD仿真的方法驗證微織構是準確的。

(a)實驗結果

(b)仿真結果圖4 壓力分布結果

圖5 軸承中部周向壓力分布結果

2.2 織構對系統靜特性的影響

2.2.1 承載力 承載力作為軸承設計的重要指標,能夠反映出軸承是否能夠達到指定工況所需的工作能力。本文采用固定主軸偏心率的方法,得到承載力隨織構變化的差異,織構對承載力的影響如圖6所示。

圖6 織構對承載力的影響

從以深隙比d/C及徑寬比B/L為自變量得到的承載力下降趨勢來看,主軸表面添加織構后軸承的承載力發生了明顯的下降,且隨著d/C、B/L的增大,軸承的承載力不斷下降。這是因為:主軸表面添加織構相當于增大了主軸與軸承的間隙,對于滑動軸承,增大間隙將減小其承載力,d/C、B/L的增大相當于增大了織構產生的間隙,承載力同樣下降。

2.2.2 溫升 添加不同參數的織構后計算得到的平均溫升變化情況如圖7所示,可知溫升隨著d/C的增加呈現反復的變化趨勢,在d/C很小的區域內溫升隨著織構尺寸的增大而呈現上升趨勢,但很快又下降,而當d/C繼續增大溫升又會上升。

圖7 織構對溫升的影響

實驗結果表明,存在表面微織構的軸承系統運行溫升在局部范圍內存在一個最優值,使得在承載力下降不明顯的情況下溫升得到顯著抑制,但這個最優值會隨著織構參數的改變有明顯的變化。同時,隨著d/C、B/L的增大,系統溫升下降會越明顯。原因在于:織構沿主軸表面貫穿,將增大潤滑油的流量;初始階段織構很小,主軸表面粗糙度增加,使得摩擦產生的熱量上升,增加的流量無法抵消產生的熱量,故溫升增加;當織構繼續增大,改善了軸承的摩擦特性,溫升會下降,當織構深隙比在0.1～0.2之間時溫升再次升高,這是因為織構對于轉子扭矩的影響是非線性的,該區域扭矩開始增大,功率隨之增大,溫升出現上升;織構增大導致流量上升,對系統的摩擦特性改善效果已經逐漸淡化,隨著流量增加溫升開始快速下降。

2.3 織構對系統動特性的影響

2.3.1 軸承剛度 本節主要研究微織構對軸承剛度的影響,采用小擾動法對軸承的剛度進行了計算。軸頸在平衡位置受外載荷作用,對軸承油膜產生位移擾動和速度擾動,油膜力將發生變化。在小擾動條件下,軸承油膜剛度阻尼可采用差分法求解[16],求解關系[17]為

(3)

織構對軸承剛度的影響效果如圖8所示。由圖8可知,隨著d/C的增大,軸承的剛度呈現出先上升后下降的趨勢,與無織構系統相比,此時剛度上升到最高值時,直接剛度kxx、kyy上升程度分別達30%、15%以上。增大B/L會使得軸承的剛度繼續上升,這說明添加合理的織構能夠顯著提高軸承的剛度,同時在設計區間內存在著最優解,使得剛度能夠達到極大值。這是因為:微織構在局部區域的收斂間隙產生動壓效應提高了軸承的剛度,但由于織構沿圓周均勻分布,周向相互抵消,所以不會增大系統的承載力。當d/C、B/L、d/L過大時,相當于增大了軸承間隙,局部的動壓效應無法彌補間隙過大引起的剛度下降,所以整體剛度開始下降。

(a)kxx

(b)kyy圖8 織構對軸承剛度的影響

2.3.2 對數衰減率 對數衰減率是系統穩定性的重要衡量條件,參照API-684標準[18],在工作轉速內若對數衰減率大于0.1表示系統具有足夠的穩定裕度,無需進一步的穩定性分析;對數衰減率小于0.1則系統穩定性不佳,需要做進一步分析;若對數衰減率小于0,則表示系統很可能發生失穩現象。對數衰減率越高表示系統穩定性越好?？棙媽邓p率的影響效果如圖9所示。

圖9 織構對對數衰減率的影響

由圖9可知:添加織構及改變織構的特征參數,將使系統的對數衰減率發生明顯的變化,系統的對數衰減率隨著d/C的增大呈現出先增大后減小的趨勢,織構深隙比達到0.04時系統對數衰減率達到最大;無織構下系統對數衰減率為0.588,添加微織構之后系統的對數衰減率最大值為0.759,對數衰減率提高達45.5%。分析表明,合理的織構能夠提高軸承轉子系統的穩定性,織構參數存在最優值使得該工況下的系統穩定性達到最優。

3 結 論

本文對一種環槽軸承的壓力分布進行CFD分析驗證,添加主軸表面的織構并調整織構參數進行仿真分析,研究了微織構對于滑動軸承支撐主軸的穩定性的影響,研究結論如下。

(1)主軸表面添加織構將導致滑動軸承的承載力發生下降,且下降程度隨d/C、B/L的增大而增加。

(2)對于低黏度的潤滑劑,添加織構能夠使得軸承的溫升得到明顯的抑制,在0.1～0.17范圍內增大B/L使得平均溫升明顯下降,且隨著織構參數的變化,在承載力下降過程中軸承的溫升存在一個最優點。

(3)添加合理的織構能夠顯著提高軸承的剛度,同時在設計區間內存在著織構參數的最優解使得剛度能夠達到極大值,同時添加表面微織構使得對數衰減率增大達45.5%,這表明主軸參數合理的織構能夠顯著提高滑動軸承支撐轉子系統的穩定性,并在一定程度上解釋了主軸振幅下降的現象。

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