推力可倾瓦瓦块张角与瓦块数量的优化设计

 摘要：推力可倾瓦轴承瓦块，在瓦背有一球面支点支承瓦块，使瓦块能够自由调整。推力轴承瓦块数量影响瓦块的最高温度、最大油膜压力和最小油膜厚度。本文以一具体的设计实例来求得推力轴承在工作载荷及转速条件下的合理的瓦块数量，使推力轴承具有最佳的运行参数。

    关键词：推力可倾瓦轴承    瓦块数量    优化设计

一、前言

推力可倾瓦轴承瓦块的结构是一个扇形块（如图一所示），瓦块背面有一球面支撑体作为支点，使瓦块在工作过程中能够灵活摆动。除推力瓦块支点影响到推力轴承的承载能力之外，在推力瓦块的内半径R1、外半径R2不变的情况下，推力瓦块的夹角、和推力瓦块数量N的变化也直接影响到轴承的承载能力。本文重点讨论在大推力及高速情况下瓦块夹角β和推力瓦块数量N的变化对轴承的最高温度和最小油膜厚度的影响，并给出最合理的瓦块夹角β和瓦块数N

 

                        图（一）

 

 

二、理论分析

1、 膜厚方程

O为瓦块支点，瓦块绕O点作径向及周向倾斜。

不考虑瓦块的弹性变形，油膜厚度的函数表达式为：

                                  （1）

其中： －瓦块支点处的油膜厚度          －瓦块支点处的半径

     －瓦块的径向和周向的倾斜角    －支点与进油边的夹角

     由流体力学原理，可以推导出二维雷诺（Reynolds）方程如下：

                                          

 （2）

化为圆柱坐标形式如下：

                                                      

（3）

  －推力轴承镜板角速度

而对于二维雷诺方程难以直接通过解析法求解得出压力分布的统一公式，所以其求解必须借助于数值计算方法（如有限差分法），即先确定承载区四周边界的压力分布，进而利用边值问题的求解方法获得整个区域的压力分布。

2、 能量方程

根据能量守恒定律，粘性流体流动中的能量交换可用下列能量平衡方程加以描述：

         4

    －润滑油的密度

－润滑油的比热系数

      温度起始条件： ，

 

 由于油膜厚度与轴瓦径向、周向尺寸相比很小，故在油膜的内外侧泄边的边界条件假设为绝热，即：

   

   瓦块的温度分布由瓦块的热传导方程求出。由热力学可知，瓦块的温度控制方程为：

          

        假设：

(1) 物体是均匀且各向同性的；

(2) 导热系数k 、比热容 及密度 均为常数；

(3) 物体内部没有温度跃变；

(4) 轴承系统为稳定导热， ；

 

(5) 系统无内热源；

 转化为圆柱坐标形式如下：

                                                              

（5）

          -轴瓦温度    －是瓦块厚度方向的坐标

 轴瓦热传导方程的边界条件： 油膜与轴瓦界面保持热流连续

                                                           

   一般润滑油的动力粘度随温度升高而很快降低。其关系可由近似的经验公式表示，常采用如下的Reynolds粘温关系式：

                                             

           （7）

其中： 是润滑油的温粘指数， 为在温度 下润滑油粘度（Pa*S）。

 

     以上是推力轴承运动方程式，据此方程组采用数值分析方法编程求解推力轴承的压力分布、油膜厚度分布、温度分布、轴承的功耗、轴承所需的润滑油流量等参数。

 

三、实例计算

以上海石化齿轮箱推力轴承为实例，轴承最大轴向力为24KN，转子转速为6258r/min，轴颈为190mm。设计推力轴承各参数并要求轴承具有最佳的运行状态。表（一）是推力瓦块的设计参数，轴承内外径不变，改变推力瓦块的张角和瓦块数。N是瓦块数，瓦块张角β=360º/N-5ºº，单瓦块所承受的载荷为P_N =24KN/N

 

表（一）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

根据表（一）的各瓦块的参数计算出各轴承的最小油膜厚度、瓦块的最高温度和瓦块的最大压力如表（二）及图三所示

 

表（二）

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

四、数据分析

 

                               图三

 

 

 

                             图（四）

从图（三）中可以看出，推力轴承随着瓦块数的增加，瓦块最高温度下降较快，但瓦块数从10块起，温度下降就缓慢了，用14块瓦和用15块瓦的轴承最大温差只有0.2℃了，再进一步提高瓦块数量，对轴承温度的下降作用有限。

从图（三）中可以看出，推力轴承随着瓦块数的增加，最大压力也不断增加，但增加缓慢，用6块瓦与用15块瓦最大压力相差只有0.06MPa，对轴承影响不大。

从图（三）中可以看出，推力轴承随着瓦块数的增加，最小油膜厚度由小→大→小，用10块瓦最小油膜最厚为0.0809mm。

综上所述，当瓦块数在10、11、12块时瓦块温度、瓦块压力及最小油膜厚度都比较理想。瓦背支点和轴承座是点接触，容易产生接触变形，瓦块数越多，单瓦所受载荷就越小，接触点的压力也就越小，因此瓦块数越多越好，但从制造安装的角度来看瓦块数越少越好。综合考虑各项计算结果，取12块瓦是较为合理的,如图（四）所示，此时瓦块最高温度为55.2℃，1.69 MPa，0.0751mm，完全满足轴承的设计要求。