李永海 武鼎超 孫向志 馬珅 沈健

摘 要：以中心點(diǎn)支承圓形彈性金屬塑料瓦為研究對(duì)象，依據(jù)潤(rùn)滑理論，建立推力軸承數(shù)學(xué)模型，采用有限元軟件仿真分析，并對(duì)其潤(rùn)滑性能進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)論表明，油膜壓力使瓦面產(chǎn)生凹變形，油膜溫度使瓦面產(chǎn)生凸變形，軸瓦整體變形為凹變形。根據(jù)軸瓦變形情況將軸瓦瓦面修型為進(jìn)出油坡形厚度為0.05mm、長(zhǎng)度為8mm的中凸形型面。相同工況下，最小油膜厚度隨著彈性復(fù)合層厚度的增加而減小，隨著鋼基層厚度的增加而增加。當(dāng)彈性復(fù)合層加厚到10mm時(shí)最高油膜溫度出現(xiàn)峰值，不利于軸承散熱。鋼基層厚度改變對(duì)于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計(jì)。

關(guān)鍵詞：圓形彈性金屬塑料瓦;瓦面修型;數(shù)值分析;潤(rùn)滑性能

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.016

中圖分類號(hào)： TH133.37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）05-0113-07

Abstract：The circular elastic metal-plastic pad supported by the center point is taken as the research object. Based on the lubrication theory， the mathematical model of thrust bearing is established. The simulation analysis is carried out by using finite element software， and the lubrication performance is simulated. The conclusion shows that the oil film pressure causes concave deformation of pad surface， the oil film temperature causes convex deformation of pad surface， and overall deformation of bearing bushing is concave. According to the deformation of bearing pad， the bearing pad surface is modified into a medium-convex surface with a slope thickness of 0.05mm and a slope length of 8mm. Under the same working conditions， the minimum oil film thickness decreases with the increase of elastic composite layer thickness and the minimum oil film thickness increases with the increase of steel base thickness. When the elastic composite layer is thicker to 10mm， the maximum oil film temperature appears peak value， which is not conducive to bearing heat dissipation. The change of steel base thickness has little effect on the maximum oil film temperature and the overall bearing temperature， which can be neglected.

Keywords：circular elastic metal plastic pad; modifying the shape of pad surface; numerical calculation; lubrication performance

0 引 言

彈性金屬塑料瓦（EMP瓦）因其材料結(jié)構(gòu)又稱塑料瓦，適用于艦船傳動(dòng)裝置、水輪發(fā)電機(jī)組和水泵機(jī)組等機(jī)械設(shè)備。塑料瓦最早出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)七十年代的前蘇聯(lián)。1989年我國(guó)引進(jìn)安裝后運(yùn)行效果良好，隨后開始研制國(guó)產(chǎn)塑料瓦。塑料瓦根據(jù)其瓦面形狀的不同分為圓形塑料瓦和扇形塑料瓦。扇形塑料瓦推力軸承主要應(yīng)用在大型水電機(jī)組上，屬于大型推力軸承;圓形塑料瓦推力軸承則大多應(yīng)用在艦船的推進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)中，屬于中小型推力軸承。

早在1985年，國(guó)外學(xué)者Abdel-Lati[1]就利用圓形瓦代替扇形瓦對(duì)軸瓦進(jìn)行了熱流體動(dòng)力分析。Ettles C M等[2]對(duì)塑料瓦與巴氏合金瓦做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，據(jù)此提出了表面修型的必要性，其目的主要是便于啟動(dòng)時(shí)初始油膜的形成。Chatterton S等 [3] 介紹了在國(guó)外工業(yè)應(yīng)用中，可傾瓦推力軸承逐漸用聚四氟乙烯（PTFE）等聚合物材料代替了巴氏合金，改善軸承性能，延長(zhǎng)軸瓦壽命，降低操作難度。我國(guó)學(xué)者也提出了許多區(qū)別于巴氏合金瓦推力軸承的塑料瓦軸承潤(rùn)滑理論[4]。趙紅梅等[5]研究了采用托盤支撐的塑料瓦推力軸承的整體變形分析。張國(guó)賢等[6]通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)了出現(xiàn)在塑料瓦上的界面滑移現(xiàn)象。接著呂廣新等[7]推導(dǎo)出適用于滑移現(xiàn)象的雷諾方程。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)塑料瓦進(jìn)行了較充分的研究[8-11]，但研究對(duì)象大多為扇形塑料瓦推力軸承，對(duì)圓形塑料瓦推力軸承的研究較少。扇形塑料瓦與圓形塑料瓦相比，因其軸瓦形狀的改變而導(dǎo)致其承載能力、穩(wěn)定性和支撐形式的選擇等特點(diǎn)都隨之變化[12-16]，且運(yùn)用在艦船上的圓形塑料瓦的安全可靠性能對(duì)于艦船安全航行起到至關(guān)重要的作用，因此有必要對(duì)圓形塑料瓦做進(jìn)一步的研究。

本文以中心點(diǎn)支承圓形彈性金屬塑料瓦推力軸承為研究對(duì)象，分析其摩擦學(xué)特性，對(duì)彈性金屬塑料瓦推力軸承特性研究的內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充。

1 理論分析與數(shù)學(xué)模型

1.1 理論分析

彈性金屬塑料瓦的結(jié)構(gòu)是由自潤(rùn)滑性能良好的聚四氟乙烯層、金屬絲層和鋼制瓦基層構(gòu)成（釬焊層可忽略）。彈性金屬塑料瓦的制作是把成型的彈性復(fù)合層釬焊到鋼制瓦基上。彈性復(fù)合層是由聚四氟乙烯和金屬絲用高溫高壓成型的金屬塑料復(fù)合材料，其中彈性復(fù)合層的厚度約為6～10mm[17]，金屬絲層起到將聚四氟乙烯和瓦基鋼坯連接的作用。這種復(fù)合材料的新型軸瓦相對(duì)于傳統(tǒng)巴氏合金軸瓦來(lái)說(shuō)，具有化學(xué)穩(wěn)定性能好、摩擦系數(shù)小以及承載能力大等優(yōu)點(diǎn)。由塑料瓦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文將彈性復(fù)合層近似看成一個(gè)整體來(lái)研究，即將彈性復(fù)合層近似為瓦面，其余為瓦體。

1.2 油膜厚度方程

油膜厚度的變化直接反映出軸瓦的變形量。按照設(shè)定的瓦面油膜形狀，計(jì)算每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的油膜厚度值。油楔和瓦面油膜的幾何形狀如圖1所示。

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)出油坡形長(zhǎng)度增加，最小油膜厚度呈現(xiàn)出先升高再下降的趨勢(shì);而隨著進(jìn)出油坡形厚度的增加最小油膜厚度則一直趨于下降的狀態(tài)，其曲面變化規(guī)律呈現(xiàn)出單峰性。

從圖8-9可以看出，隨著進(jìn)出油坡形長(zhǎng)度和厚度的增加，最大油膜壓力和最高油膜溫度均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。且它們沿進(jìn)出油坡形厚度方向的變化趨勢(shì)要大于沿進(jìn)出油坡形長(zhǎng)度的方向。隨著進(jìn)出油坡形長(zhǎng)度的增加，最大油膜壓力和最高油膜溫度的變化情況為下降趨勢(shì)，且下降的程度趨于平緩，到了長(zhǎng)度為8mm后，開始呈現(xiàn)出略微上升的趨勢(shì)。

根據(jù)潤(rùn)滑理論可知，動(dòng)壓滑動(dòng)推力軸承工作中形成的油膜厚度越厚，則推力軸承承載能力越強(qiáng)，安全可靠性越高，因此本文將最小油膜厚度作為主要參考指標(biāo)，同時(shí)兼顧其他潤(rùn)滑性能參數(shù)，根據(jù)這個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定圓形塑料瓦最佳的修型尺寸。

當(dāng)進(jìn)出油坡形厚度為0.05mm、進(jìn)出油坡形長(zhǎng)度為8mm時(shí)，軸瓦的最小油膜厚度達(dá)到最大值。同時(shí)最大油膜壓力和最高油膜溫度均為最小值，因此將圓形塑料瓦的瓦面修型為進(jìn)出油坡形厚度為0.05mm、長(zhǎng)度為8mm的中凸型面，使之受載變形后為近似平面，提高推力軸承運(yùn)行的可靠性，有利于補(bǔ)償磨損，減少燒瓦現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 鋼基層厚度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

圖10、11所示為，已知彈性復(fù)合層的厚度為6mm，軸瓦的負(fù)載比壓值為4MPa，軸承平均轉(zhuǎn)速為518r/min，鋼基層厚度分別為30mm、31mm、32mm、33mm、34mm時(shí)，軸承最小油膜厚度、最高油膜溫度的變化規(guī)律。

分析可知：隨著鋼基層厚度的增加最小油膜厚度也隨之增加。值得注意的是，隨著鋼基層厚度的增加最高油膜溫度大體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但變化的程度很小，幾乎不變。這是由于圓形塑料瓦彈性復(fù)合層具有良好的絕熱性能，圓形塑料瓦面的溫度難以經(jīng)過(guò)彈性復(fù)合層傳遞至瓦體中。鋼基層厚度的改變對(duì)于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計(jì)。這說(shuō)明鋼基體的存在可抑制軸瓦的熱變形，保證推力軸承的安全運(yùn)行。

3.3 彈性復(fù)合層厚度對(duì)潤(rùn)滑性能的影響

圖12、13所示為，彈性復(fù)合層厚度為6mm、7mm、8mm、9mm、10mm，已知圓形塑料瓦的鋼基層厚度為30mm，且載荷與轉(zhuǎn)速等工況條件保持不變。軸瓦的負(fù)載比壓值為4MPa，軸承平均轉(zhuǎn)速為518r/min，軸承最小油膜厚度、最高油膜溫度的變化規(guī)律。

分析可知：隨著彈性復(fù)合層厚度的增加，最小油膜厚度呈下降的趨勢(shì)。根據(jù)潤(rùn)滑理論可知，較小的油膜厚度不利于軸承的安全運(yùn)行，因此彈性復(fù)合層不宜過(guò)厚。最高油膜溫度隨著彈性復(fù)合層厚度的增加呈上升的趨勢(shì)，當(dāng)彈性復(fù)合層加厚到10mm時(shí)最高油膜溫度出現(xiàn)峰值，不利于軸承散熱。這說(shuō)明彈性復(fù)合層越厚對(duì)推力軸承的潤(rùn)滑性能越不利。

4 結(jié) 論

1）油膜壓力使瓦面產(chǎn)生凹變形，油膜溫度使瓦面產(chǎn)生凸變形且變形較小，軸瓦瓦面綜合變形為凹變形，而傳統(tǒng)的巴氏合金瓦推力軸承在工作時(shí)軸瓦瓦面會(huì)產(chǎn)生凸變形。圓形塑料瓦不良的凹變形會(huì)導(dǎo)致燒瓦事故的發(fā)生，因此必須要對(duì)圓形塑料瓦進(jìn)行表面修型。

2）根據(jù)軸瓦變形云圖，為抵消圓形塑料瓦的不良變形，應(yīng)將軸瓦瓦面形狀優(yōu)化為“饅頭”形狀?？紤]到實(shí)際加工情況，將軸瓦預(yù)加工成橫截面為梯形的軸瓦形狀。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇進(jìn)出油坡形厚度最優(yōu)值為0.05mm與長(zhǎng)度最優(yōu)值為8mm的瓦面修型尺寸。修型后可使工作時(shí)圓形塑料瓦瓦面型線為近似平面或微凸面，提高軸承潤(rùn)滑性能及安全特性。

3）在相同比壓和轉(zhuǎn)速的工況下，最大油膜厚度隨著彈性復(fù)合層厚度的增加而減小，隨著鋼基層厚度的增加而增加。當(dāng)彈性復(fù)合層加厚到10mm時(shí)最高油膜溫度出現(xiàn)峰值，不利于軸承散熱。鋼基層厚度的改變對(duì)于最高油膜溫度及軸瓦整體溫度的影響甚微，可忽略不計(jì)。

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（編輯：王 萍）