大型推力轴承几何参数对润滑性能

时间：2025-06-24

李忠　袁小阳　马鸿飞摘要:本文对推力轴承的瓦张角、瓦宽、瓦内径、载荷、转速、进油边温度对润滑性能的影响，进行了分析，提出了改进建议，对指导推力轴承设计具有重要的实际意义。关键词：推力轴承　几何参数　润滑性能EffectsoftheGeometricalParametersontheLubricationPerformanceinLarge-scaleThrustBearingsLiZhong　YuanXiaoyang　MaHongfei(Xi'anJiaotongUniversity)Abstract:Inthispaper,theeffectsofthepadangle,thepadwidth,thepadinternalradius,theaxialload.theshaftspeed,theinlettemperatureonthelubricationperformanceinthrustbearingsarestudied.Someperfectsuggestionsarepresented.itissignificanttodesignthrustbearingspreferably.Keywords:ThrustBearing　GeometricalParameter　LubricationPerformance主要符号说明h油膜厚度hm最小油膜厚度hp接线处油膜厚度P油膜压力Pmax最大油膜压力tref瓦变形参考温度θ瓦周向角B瓦宽t润滑油温度μ润滑油粘度C0,D0粘度常数U瓦面位移Ω镜板转速Qin进口油流量λ润滑油导热系数θ0瓦张角αp瓦热胀系数W单瓦载荷Mt摩擦力矩Tmax最大油膜温度近几十年来，对流体润滑推力轴承的研究已取得很大的进展，积累了大量的性能数据和设计经验。然而作为水轮发电机组中的关键部件推力轴承，由于其推力负荷很大，工作条件严重恶化，润滑性能变差，致使推力轴承成为水电机组中最不可靠的部件之一，因此，对水电机组推力轴承润滑问题的研究显得愈来愈重要了。对于广泛用于大型水轮发电机组中的大型重载推力轴承，其几何尺寸较大，工况环境恶劣，瓦面的热弹变形很大，结构参数对轴承动静态性能的影响是非常显著的，计算模型中若仍采取刚性瓦这一基本假设，将导致很大的计算误差。本文对瓦块不作简化，直接按三维热弹力学方程求解瓦体热弹变形，从理论上来说，其计算精度很高。1　基本方程(1)油膜厚度方程h=hm sinγp［rsin(θp-θ)-rmsin(θp-θm)］-(up-um)(1)(2)油膜压力方程在润滑油密度不变，层流流动等假设下，二维Renolds方程为(2)边界条件(Γ1油膜破裂界，Γ油膜周围边界)(3)二维能量方程为(3)边界条件t=Tm(θ=0)(4)润滑油粘温方程lglg(v α0)=C0 D0lgT(5)瓦体热弹性位移方程位移边界条件ui│Fu=u,(xi)∈Fu面力边界条件(6)瓦体温度场基本方程瓦体内不含热源的瓦体温度场满足下述微分方程2t=0边界条件　瓦面　t=t*瓦侧面　(7)轴承性能参数的计算承载能力　W=∫0θ0∫R1R2Prdrdθ摩擦力矩　摩擦功耗　P=MtΩ流量　Q=∫R2R1∫h0(Vθ)θ=0dzdr2　基本方程数值求解首先对各个基本方程进行无量纲化，然后对二维Renolds方程和能量方程采用差分法求解，三维瓦体热弹位侈方程和温度方程采用边界元法求解。流程图略。3　推力轴承几何工况参数对润滑性能的影响(1)瓦张角的影响扇形瓦张角是推力轴承瓦形参数中的一个重要参数。瓦张角改变将影响瓦块数，进而影响单瓦载荷的大小。假定瓦宽不变，瓦内径不变，总载荷不变，来比较四种瓦张角对润滑性能的影响。表1是四种瓦张角对应的瓦块数和单瓦载荷。表1　1234瓦张角(°)12151719瓦块数(块)26211816单瓦载荷(kN)1889.42429.22834.13188.1无量纲承载力0.03170.03930.04050.0401无量纲流量in3.11753.71284.12394.5982无量纲摩擦力矩t1.09711.24951.27671.2971最小油膜厚度hmin(μm)66.1364.3859.7155.27摩擦力矩Mt(kN.m)4.27705.09235.60566.0781流量Qin(×10-4m3/s)10.0311.7312.5713.55最高油膜温度Tmax(℃)59.0662.4165.9869.51瓦面最大位移Umax(μm)97.65100.88106.15111.56最大比压Pmax(MPa)12.9313.8411.8815.71图1是hmin、Mt、Pmax、Tmax、Umax、Qin随瓦张角θ0的变化规律，随着瓦张角的增大，最小油膜厚度减小，最高油膜温度增大，瓦面位移增大，瓦面最大油膜压力增大，润滑油流量增大。瓦张角对最小油膜厚度、最高油膜温度影响较大，瓦的热变形较大。所以在重载轴承中，宜采用较小的瓦张角，以降低温升，均衡瓦体变形。图1(2)瓦宽瓦内径的影响瓦宽为740mm、750mm、760mm、770mm，相应的瓦内径为1860mm、1850mm、1840mm、1830mm，图2中，hmin、Mt、Pmax、Tmax、Umax、Qin是随瓦宽变化的曲线。图2假定瓦外径保持不变，瓦张角不变，则瓦宽减小，推力瓦的有效承载面积将减小，润滑性能会变差，从图2可以看出，随着瓦宽的减小，最小油膜厚度减小，最高油膜温度升高，进口流量和摩擦力矩变化不大，油膜最大压力略有增大。根据上述分析，在设计重载推力轴承的过程中，只要条件允许，尽量采用较大的瓦宽。然而瓦宽增大，瓦变形也会相应增大。若瓦变形突出时，宜采用较小的瓦宽。(3)载荷的影响设轴承的额定载荷为2125600(N)，计算了载荷变化分别为额定载荷的0.5、0.75、1.25、1.5倍时，推力轴承的热弹流动力润滑性能。据图3载荷增大，最小油膜厚度急剧减小，最高油膜温度增大幅度较大，瓦面最大位移增大，瓦弹性变形和热变形都增大。流量随载荷增大而减小，摩擦力矩随载荷增大而增大，从而功耗增大。图3(4)转速的影响设额定转速Ω=75r/min,计算了镜板转速分别为额定转速的0.5、0.75、1.25、1.5倍时，轴承的流体动压润滑性能。由图4可以看出，转速升高，最小油膜厚度显著增大，摩擦功耗增大，流量也增大，摩擦力矩略有增加，最大油膜压力、温度、位移则几乎不变。设计中，应尽量选择较高的转速，以保证有较大的最小油膜厚度，但转速不能过高，以避免摩擦功耗过大，而导致油池温度太高。图4(5)进油边温度的影响以下分析进油边温度分别为25℃、35℃、45℃时，推力轴承的热弹流动力润滑性能。由图5可知，随着进油边温度的升高，油膜温度升高，瓦面最大油膜压力上升，变形增大，最小油膜厚度减小，油量减小。由此看来，进油边温度对润滑性能的影响比较大，实际应用时，应采取必要的措施来降低进油边的温度。图54　结论轴承的几何参数中，瓦张角的选择比较重要。在额定总载荷下，瓦张角不同，瓦块数相应改变，单瓦载荷也不同。在重载轴承中，选择较小的瓦张角，可以有效地降低单瓦载荷，对减小热变形有利。可倾瓦推力轴承对载荷的适应性较强，适度增加载荷，对润滑性能影响不大。转速主要影响摩擦功耗，降低转速，有利于降低功耗，减小热变形。降低进油边温度有利于提高润滑性能。作者单位:西安交通大学，710049参考文献［1］薛永宽，大型水轮发电机推力轴承的广义热弹性流体动力润滑性能的研究，西安交通大学博士学位论文，1990.3。［2］A.K.Tieu,HydrodynamicThrustBearing:TheoryandExperiment,ASMEJournalofTribology,Vol.113,July.1991.pp633-638.