一種復合式滑動軸承的實驗研究蘇紅，毛軍，薛琳（北方交通大學土木建筑工程學院，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，增大了阻尼，產(chǎn)生了一個高壓區(qū)，其合力可以用來平衡穩(wěn)態(tài)的負荷。經(jīng)實驗驗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。其他幾個軸承的工作特性指標包括軸瓦的最高溫度、最小油膜厚度、潤滑油流量等相比都顯得優(yōu)越。

　　現(xiàn)行徑向動壓軸承的共同的力學特征是利用偏心產(chǎn)生油楔，利用油楔產(chǎn)生承載力，無論圓柱型、橢圓型、三油楔型、可傾瓦型等都是這樣。當偏心隨負荷增大而增大時，其升力將相應增加，從而自動平衡負荷。

　　但偏心量超過一定限度時由于偏心引起摩擦切應力的增大將導致潤滑液體溫度的上升和粘滯性的下降，反而會使升力下降，出現(xiàn)干摩擦，并引起燒軸、抱軸甚至斷軸等事故。

　　一種復合式滑動軸承有望能從理論上和技術上取得突破。它采用一個或多個徑向擋板，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迫潤滑油自動循環(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式機械穩(wěn)定運行的需要。

　　1復合式滑動軸承的工作原理1. 1環(huán)隙流速及壓力分布文獻已論證了在滑動軸承中由動量矩方程建立的同心環(huán)隙科特流潤滑理論優(yōu)于由雷諾方程建立北方交通大學學報的潤滑理論，因此將其應用到復合式滑動軸承的計算理論中。

　　由動量矩定律和圓柱坐標系所導出的同心環(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為軸內徑 h為環(huán)隙的寬 G= 1為軸切向速度 P=為科特數(shù)，其中， L為流體的動力粘度系數(shù)，為周向壓力梯度， H為圓心角。

　　對于偏心環(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。說明同心環(huán)隙加上擋板，能夠形成類似常規(guī)偏心滑動軸承的速度分布與壓力分布。

　?。?a）常規(guī)偏心滑動軸承（ b）加擋板的同心滑動軸承1. 2承載力形成機理。當下表面以V運動時，沿運動方向的間隙逐漸減小，潤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度的流量沿運動方向逐漸減少，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理，可以設計一種復合式滑動軸承，它是在普通滑動軸承的基礎上加裝了一塊擋板，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軟件模擬計算的結果如圖2所示。如設計合理，理想狀態(tài)是兩合力能與載荷一起構成三足鼎立的穩(wěn)定結構，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。

　　由于擋板位置的設計是可以變化的，因此高壓區(qū)是可以任意調節(jié)的。對于輕載高速徑向軸承，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，導致偏心加大，使軸承更加穩(wěn)定。

　　北方交通大學學報2對比實驗委托上海汽輪機廠對加擋板的復合式軸承與傳統(tǒng)的常規(guī)軸承進行了對比實驗[ 6]，除了在承載區(qū)安裝了一塊檔板之外，所有尺寸、精度和實驗條件、實驗工況均與對比軸承一樣。對比軸承是上海汽輪機廠自己設計生產(chǎn)的橢圓形軸承和由英國ABB公司生產(chǎn)的袋式軸承。

　　實驗選取7個工況，在恒定轉速3 000 r/ min條件下，選取10、20、30、40、50 kN 5種加載工況，又在最大載荷時選取4 000 r/ min、5 000 r/ min兩種變轉速工況。最大載荷時相應的軸承比壓為2. 2 M Pa.

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

　?。?2）油膜壓力測量圖4（ b）反映了復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，復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）瓦面溫度測量圖4（ c）反映了復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低載荷工況時與袋式軸承接近，隨著載荷增加，復合式軸承到50 kN工況時，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，復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結語（ 1）復合式軸承結構簡單，僅在一般軸承的基礎上加裝了一塊擋板，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，延緩湍流的發(fā)生從而降低能耗，保證層流向湍流的平穩(wěn)過渡。

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

　?。?3）如果設計計算使擋板的偏置角度更趨合理，可達到高載荷下的更小偏心、更穩(wěn)定的承載結構。

　　對復合式軸承還需作大量的完善工作，并進行可靠性實驗，使結構上能結合生產(chǎn)實際，獲得其應有的工程應用價值。

　　榮深濤，劉秋生，楊健，等。同心環(huán)隙有壓科特（ Couette）流總論[ J] .北方交通大學學報， 1991， 15（榮深濤，楊健，單彥秋，等。有壓環(huán)隙科特流的實驗研究[ J] .北方交通大學學報， 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)的試驗確定[ J] .北方交通大學學報， 2000， 24（蘇紅，薛琳，毛軍，等。環(huán)隙科特層流潤滑理論[ J] .北方交通大學學報， 2001， 25（ 1） ： 19 22.

　　溫詩鑄。摩擦學原理[ M] .北京：清華大學出版社， 1991.

　　[ 6]上海汽輪機廠研究所。小偏心承載滑動軸承實驗報告[ R] .上海：上海汽輪機廠研究所， 1994.

作者：佚名　　來源：中國潤滑油網(wǎng)