如何選擇合適的液體動(dòng)壓軸承？

為了給旋轉(zhuǎn)軸或軸承頸提供足夠的支撐，需要選擇一個(gè)具備合適載荷能力的液體動(dòng)壓軸承設(shè)計(jì)。如果施加的載荷超過軸承設(shè)計(jì)的上限，將導(dǎo)致過度磨損和不穩(wěn)定?！稗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”是 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產(chǎn)品，它支持比較不同類型液體動(dòng)壓軸承的承載能力，從而為具體的應(yīng)用選擇最合適的液體動(dòng)壓軸承。

選擇合適類型的液體動(dòng)壓軸承

液體動(dòng)壓軸承是一種液壓軸承，主要功能是支撐電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等各種工業(yè)應(yīng)用中的轉(zhuǎn)子。具體用途是支撐重載，以及利用加壓流體（例如油或氣）來減少滑動(dòng)摩擦和振動(dòng)，所以它能夠延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子的使用壽命，保證轉(zhuǎn)子安靜平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。在液體動(dòng)壓軸承內(nèi)，流體增壓通過“泵送效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)。軸承頸快速抽動(dòng)，通過軸承頸和軸承之間的間隙的收斂段泵送流體，從而實(shí)現(xiàn)泵送效應(yīng)。

汽輪機(jī)是液體動(dòng)壓軸承在工業(yè)中的應(yīng)用之一。圖像由 Siemens Pressebild 提供，在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 共享。

為了保證液體動(dòng)壓軸承的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，其承載能力必須考慮應(yīng)用的實(shí)際要求。照此看來，工程師應(yīng)當(dāng)了解不同類型的液體動(dòng)壓軸承如何對(duì)載荷作出反應(yīng)，并據(jù)此選定正確的設(shè)計(jì)?！稗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊”提供了分析所需的各種特征和功能。

模擬各式液體動(dòng)壓軸承的性能

本文的分析比較了八種不同的液體動(dòng)壓軸承。液體動(dòng)壓軸承可劃分為四種類型：

滑動(dòng)軸承

橢圓滑動(dòng)軸承

對(duì)開軸承

多油葉軸承

前三種軸承只有一種配置。多油葉軸承則有五種不同的配置，其中包括：

一個(gè)雙油葉軸承

兩個(gè)三油葉軸承

兩個(gè)四油葉軸承

值得注意的是，三油葉軸承和四油葉軸承的配置在與靜態(tài)載荷的相對(duì)方向這一方面存在差異。前一種配置的靜態(tài)載荷作用在瓦的中心，因此被稱作載荷作用在瓦上（load on pad，簡(jiǎn)稱 LOP）；后一種配置的載荷作用在兩個(gè)瓦之間，被稱作載荷作用在瓦間（load between pad，簡(jiǎn)稱 LBP）。

在軸頸軸承內(nèi)，軸承頸以角速度 Ω (rad/s) 旋轉(zhuǎn)。軸承頸是通過這種方式保持靜態(tài)的：水平方向的流體膜產(chǎn)生的凈力為零，這種力同樣在垂直方向上抵消了軸承頸的重力 W。

各種軸承配置。從左到右，上面一行是滑動(dòng)軸承、橢圓滑動(dòng)軸承、對(duì)開軸承和雙油葉軸承，下面一行是三油葉 LOP 軸承、三油葉 LBP 軸承、四油葉 LOP 軸承和四油葉 LBP 軸承。

為了執(zhí)行計(jì)算，我們需要引入下列參數(shù)：

動(dòng)力粘度

空化壓力的密度

壓縮率

下表概述了此仿真中使用的參數(shù)值，它們與現(xiàn)實(shí)中軸承使用的潤(rùn)滑油的參數(shù)值大致相同。

仿真結(jié)果分析

首先，為了了解壓力分布，我們看一看各類軸承中的流體膜壓力分布。

滑動(dòng)軸承、橢圓滑動(dòng)軸承、對(duì)開軸承、雙油葉軸承、三油葉 LOP 軸承、三油葉 LBP 軸承、四油葉 LOP 軸承和四油葉 LBP 軸承中的壓力分布。

在流體膜內(nèi)部，壓力在收斂段處增大，在相鄰的發(fā)散段快速下降。為了方便研究三維繪圖顯示的結(jié)果，我們將圓柱體的表面展開為矩形，并繪制了二維圖像。下圖清晰地表明，軸承的間隙形狀對(duì)流體膜的壓力分布影響甚大。

各類軸承的流體膜內(nèi)的壓力分布；x 軸代表圓周方向，y 軸代表軸向。

在下圖中，我們比較了不同載荷下軸承頸的偏心率。偏心率越小，對(duì)軸承頸越有利。繪圖顯示，在運(yùn)行范圍內(nèi)，偏心率最理想的軸承頸是對(duì)開軸承和三油葉 LBP 軸承。一旦載荷大于 5000 N，四油葉 LOP 軸承的偏心率最高，四油葉 LBP 的偏心率最低。

接著我們看一看，當(dāng)軸承承受不同的靜態(tài)載荷時(shí)軸承頸的平衡位置。軸承頸的 y 坐標(biāo)位置繪制在 x 軸上，z 坐標(biāo)位置繪制在 y 軸上。由于軸承頸位置與所施加載荷大小的關(guān)系已知，所以我們還可以在繪圖中看到二者的影響效果。

如果載荷較小，軸承頸的平衡位置傾向于主要沿 y 軸方向移動(dòng)，且在 z 軸方向有小幅度移動(dòng)。載荷變大時(shí)，軸承頸快速地沿 z 軸負(fù)方向移動(dòng)。超過載荷上限后，軸承頸開始碰觸到軸承的底部。這決定了軸承的承載力上限。該曲線有助于我們確定對(duì)于給定的軸承頸偏心率，保證軸承安全運(yùn)轉(zhuǎn)的極限載荷。

最后，我們來分析參考狀態(tài)（軸承頸與軸承同軸）和平衡狀態(tài)（軸承頸偏離軸承中心以平衡給定的靜態(tài)載荷）下的流體厚度分布。在本文中，按照幾何參數(shù)的定義，所有軸承在參考狀態(tài)下?lián)碛邢嗤淖钚￠g隙和最大間隙。唯一的例外是滑動(dòng)軸承，在平衡狀態(tài)下的間隙是始終不變的，且等于其他軸承的最小和最大間隙的平均值。在載荷狀態(tài)下，所有軸承的最小間隙大約相等，且方位坐標(biāo)相同。不過，對(duì)于不同的軸承，不同方位坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大間隙差別很大。

參考狀態(tài)（左）和平衡狀態(tài)（右）下的流體厚度分布