一種復(fù)合式滑動(dòng)軸承的實(shí)驗(yàn)研究蘇紅，毛軍，薛琳（北方交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）承載區(qū)的的定子上安裝一可徑向位移的檔板，它不僅可以濾除泰勒渦，而且它阻止了科特流的流動(dòng)，增大了阻尼，產(chǎn)生了一個(gè)高壓區(qū)，其合力可以用來(lái)平衡穩(wěn)態(tài)的負(fù)荷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它在不同載荷工況下，偏心率小于同尺寸、同類型的普通軸承。其他幾個(gè)軸承的工作特性指標(biāo)包括軸瓦的最高溫度、最小油膜厚度、潤(rùn)滑油流量等相比都顯得優(yōu)越。

　　現(xiàn)行徑向動(dòng)壓軸承的共同的力學(xué)特征是利用偏心產(chǎn)生油楔，利用油楔產(chǎn)生承載力，無(wú)論圓柱型、橢圓型、三油楔型、可傾瓦型等都是這樣。當(dāng)偏心隨負(fù)荷增大而增大時(shí)，其升力將相應(yīng)增加，從而自動(dòng)平衡負(fù)荷。

　　但偏心量超過(guò)一定限度時(shí)由于偏心引起摩擦切應(yīng)力的增大將導(dǎo)致潤(rùn)滑液體溫度的上升和粘滯性的下降，反而會(huì)使升力下降，出現(xiàn)干摩擦，并引起燒軸、抱軸甚至斷軸等事故。

　　一種復(fù)合式滑動(dòng)軸承有望能從理論上和技術(shù)上取得突破。它采用一個(gè)或多個(gè)徑向擋板，其擋板能抑制泰勒渦和混沌現(xiàn)象的出現(xiàn)擋板具有不依賴偏心產(chǎn)生升力的能力，可以形成一種復(fù)合式的承載系統(tǒng)，成倍地提高軸承的承載能力擋板還具有強(qiáng)迫潤(rùn)滑油自動(dòng)循環(huán)的功能，如加上冷卻系統(tǒng)，可保證油溫的穩(wěn)定，相信這種系統(tǒng)能滿足大型高速旋轉(zhuǎn)式機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

　　1復(fù)合式滑動(dòng)軸承的工作原理1. 1環(huán)隙流速及壓力分布文獻(xiàn)已論證了在滑動(dòng)軸承中由動(dòng)量矩方程建立的同心環(huán)隙科特流潤(rùn)滑理論優(yōu)于由雷諾方程建立北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)的潤(rùn)滑理論，因此將其應(yīng)用到復(fù)合式滑動(dòng)軸承的計(jì)算理論中。

　　由動(dòng)量矩定律和圓柱坐標(biāo)系所導(dǎo)出的同心環(huán)隙科特流理論，其環(huán)隙中的流速沿半徑r的分布為式中， R為軸內(nèi)徑 h為環(huán)隙的寬 G= 1為軸切向速度 P=為科特?cái)?shù)，其中， L為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，為周向壓力梯度， H為圓心角。

　　對(duì)于偏心環(huán)隙，式（1）中的h不再是常數(shù)，而是偏心率E的函數(shù)式中， C為同心環(huán)隙的寬， e為偏心距。

　　沿周向展開(kāi)的速度分布和壓力分布示意圖，其各斷面的流速符合式（ 1）確定的流速分布。說(shuō)明同心環(huán)隙加上擋板，能夠形成類似常規(guī)偏心滑動(dòng)軸承的速度分布與壓力分布。

　?。?a）常規(guī)偏心滑動(dòng)軸承（ b）加擋板的同心滑動(dòng)軸承1. 2承載力形成機(jī)理。當(dāng)下表面以V運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿運(yùn)動(dòng)方向的間隙逐漸減小，潤(rùn)滑油從大口流向小口，形成油楔，產(chǎn)生升壓現(xiàn)象。由于楔形引起的單位長(zhǎng)度的流量沿運(yùn)動(dòng)方向逐漸減少，為保證流量的連續(xù)條件，必然產(chǎn)生圖1（ a）所示的壓力分布，以減少大口的流入流量，增加小口的流出流量，使過(guò)流斷面的流量保持相等。將壓力分布函數(shù)沿寬度方向積分就求得單位長(zhǎng)度上的承載量。

　　尼，使?jié)櫥托纬煞磯嚎铺亓?，為了保證斷面流量的連續(xù)條件，出現(xiàn)了圖1（ b）所示的高壓區(qū)。擋板還濾除了疊加在環(huán)隙科特流上的泰勒渦，避免了混沌與分岔現(xiàn)象的發(fā)生，并獲得一近似線性的有壓科特流區(qū)域。

　　根據(jù)同心環(huán)隙加擋板后可獲得有壓科特流的機(jī)理，可以設(shè)計(jì)一種復(fù)合式滑動(dòng)軸承，它是在普通滑動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上加裝了一塊擋板，使環(huán)隙中既有偏心油楔生成的油膜壓力，又有擋板作用形成的高壓，兩部分壓力的合力使承載力成倍增加。且擋板位置不同，所形成的壓力分布不同，用PHOENICS軟件模擬計(jì)算的結(jié)果如圖2所示。如設(shè)計(jì)合理，理想狀態(tài)是兩合力能與載荷一起構(gòu)成三足鼎立的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其為油楔生成的油膜壓力的合力， F為擋板形成的油膜壓力的合力。

　　由于擋板位置的設(shè)計(jì)是可以變化的，因此高壓區(qū)是可以任意調(diào)節(jié)的。對(duì)于輕載高速?gòu)较蜉S承，其偏心愈小，則愈不穩(wěn)定，故可在非承載區(qū)安裝一檔板，使該區(qū)產(chǎn)生載荷力，導(dǎo)致偏心加大，使軸承更加穩(wěn)定。

　　北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)2對(duì)比實(shí)驗(yàn)委托上海汽輪機(jī)廠對(duì)加擋板的復(fù)合式軸承與傳統(tǒng)的常規(guī)軸承進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)[ 6]，除了在承載區(qū)安裝了一塊檔板之外，所有尺寸、精度和實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)工況均與對(duì)比軸承一樣。對(duì)比軸承是上海汽輪機(jī)廠自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)的橢圓形軸承和由英國(guó)ABB公司生產(chǎn)的袋式軸承。

　　實(shí)驗(yàn)選取7個(gè)工況，在恒定轉(zhuǎn)速3 000 r/ min條件下，選取10、20、30、40、50 kN 5種加載工況，又在最大載荷時(shí)選取4 000 r/ min、5 000 r/ min兩種變轉(zhuǎn)速工況。最大載荷時(shí)相應(yīng)的軸承比壓為2. 2 M Pa.

　?。?1）潤(rùn)滑油流量測(cè)量圖4（ a）反映了復(fù)合式軸承在20 kN工況時(shí)流量與橢圓軸承近似，隨著載荷的增加，復(fù)合式軸承流量呈迅速下降趨勢(shì)。在50 kN工況時(shí)，復(fù)合式軸承比橢圓軸承流量低約27 ，比袋式軸承略高。

　?。?2）油膜壓力測(cè)量圖4（ b）反映了復(fù)合式軸承的最大油膜壓力在各種工況下都比橢圓軸承和袋式軸承的大。在50 kN載荷時(shí)，復(fù)合式軸承的最大油膜壓力與橢圓軸承接近，比袋式軸承約高20.

　　（ 3）瓦面溫度測(cè)量圖4（ c）反映了復(fù)合式軸承的軸瓦最高溫度與橢圓軸承和袋式軸承相比明顯要低，在10 kN低載荷工況時(shí)與袋式軸承接近，隨著載荷增加，復(fù)合式軸承到50 kN工況時(shí)，最高溫度為65 e ，升幅為12，而在同等條件下，橢圓軸承升幅為36，袋式軸承升幅為27.

　?。?a）潤(rùn)滑油流量與索默菲爾德數(shù)（ b）油膜壓力與索默菲爾德數(shù)（ c）軸瓦溫度與索默菲爾德數(shù)（ 4）偏心率及最小油膜厚度在不同載荷工況下，尤其是在最大載荷50 kN時(shí)，復(fù)合式軸承的偏心率為0. 45，比其它兩種軸承都要小，橢圓軸承為0. 59，袋式軸承為0. 73.在額定載荷下，復(fù)合式軸承的最小油膜厚度為0. 066 mm，橢圓軸承為0. 049 mm，袋式軸承為0. 045 mm.

　　3結(jié)語(yǔ)（ 1）復(fù)合式軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅在一般軸承的基礎(chǔ)上加裝了一塊擋板，不僅可以提供較大的承載力，而且抑制了泰勒渦在間隙中形成，延緩?fù)牧鞯陌l(fā)生從而降低能耗，保證層流向湍流的平穩(wěn)過(guò)渡。

　?。?2）復(fù)合式軸承有較大的最小油膜厚度，而且擋板強(qiáng)迫潤(rùn)滑油在外部循環(huán)，使軸瓦溫度比其它類型的軸承低，這對(duì)高速重載條件下工作的軸承來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的優(yōu)良特性指標(biāo)，表明它有良好的工作可靠性。

　　（ 3）如果設(shè)計(jì)計(jì)算使擋板的偏置角度更趨合理，可達(dá)到高載荷下的更小偏心、更穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。

　　對(duì)復(fù)合式軸承還需作大量的完善工作，并進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，使結(jié)構(gòu)上能結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，獲得其應(yīng)有的工程應(yīng)用價(jià)值。

　　榮深濤，劉秋生，楊健，等。同心環(huán)隙有壓科特（ Couette）流總論[ J] .北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 1991， 15（榮深濤，楊健，單彥秋，等。有壓環(huán)隙科特流的實(shí)驗(yàn)研究[ J] .北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 1991， 15（ 1） ： 91薛琳，蘇紅，毛軍，等。濾除泰勒渦的同心環(huán)隙科特流臨界雷諾數(shù)的試驗(yàn)確定[ J] .北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000， 24（蘇紅，薛琳，毛軍，等。環(huán)隙科特層流潤(rùn)滑理論[ J] .北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001， 25（ 1） ： 19 22.

　　溫詩(shī)鑄。摩擦學(xué)原理[ M] .北京：清華大學(xué)出版社， 1991.

　　[ 6]上海汽輪機(jī)廠研究所。小偏心承載滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)報(bào)告[ R] .上海：上海汽輪機(jī)廠研究所， 1994.

作者：佚名　　來(lái)源：中國(guó)潤(rùn)滑油網(wǎng)