螺旋角对螺旋油楔套轴承性能的影响

摘要

螺旋角是螺旋油楔套轴承的重要结构参数，对轴承性能影响较大。基于JFO边界条件，建立了考虑四种滑移条件的广义雷诺方程。利用偏导数的概念，计算了轴套轴承的刚度和阻尼系数。结果表明:随着螺旋角的增大，油膜承载能力和摩擦阻力减小，温升先减小后增大，端部泄漏率、刚度和阻尼系数普遍先增大后减小;考虑壁面滑移和JFO条件下的承载能力、摩擦阻力、温升、刚度和阻尼系数均小于无滑移和雷诺边界条件下的计算，端部泄漏率较高。

1.介绍

轴套轴承广泛应用于旋转机械中，油膜力是影响转子系统稳定性的重要因素。在目前的流体动力轴承稳定性研究状态下，考虑了轴颈不对中、轴承表面粗糙度、空化现象和织构的影响，有几项深入的研究。结构参数对轴承稳定性的影响不容忽视，特别是随着高速精密旋转机械的发展，对轴承精度和稳定性的要求越来越高。Ahmed等人[1]提出了一项对轴颈轴承动态特性影响的研究。Félix等[2]，采用有限差分离散技术和多重网格方法分析了轴承表面粗糙度的影响。Wang等[3.，4计算了考虑空化效应的微极性流体润滑轴颈轴承的特性。Shinde等人[5]研究了局部织构的锥形流体动力滑动轴承的性能特性，结果表明，900-1800区域局部织构的轴承表面与光滑表面相比，最大液膜压力提高了42.08%。

近年来，许多研究者研究了结构参数对不同结构轴承特性的影响。Ahmada等人[6实验研究了油槽位置对动压滑动轴承温度和压力的影响。Xie et al. [7]规定了轴颈旋转速度对压力，载荷，油膜组分的影响，以及轴承应力。dwivedi等人。［8[，]研究了四槽矩形凹槽混合滑动轴承的凹槽长度和宽度变化、凹槽数量变化对承载能力和油流参数的影响。李等人[9]发现水润滑轴承的承载能力随着沟槽尺寸的增大而增大。梁等人[10，11计算了不同偏心比和油腔包绕角下四袋毛细管补偿静压轴承的凹槽压力和流量。Shinde等人[12]指出，轴承表面沿90°-180°区域有部分沟槽，与普通轴颈轴承相比，承载力提高了75.9%。Jiang et al. [13研究了三种进气坡道和四种不同深度线性坡道的推力轴承特性。Rashidi等人[14]研究了倾斜角度对微极性润滑圆形和多叶径向滑动轴承线性动力学分析的影响。Qin等人[15研究了油槽参数对滑动轴承性能的影响。Brito等人[16]采用热流体动力学方法分析了单、双轴向沟槽径向滑动轴承在变载荷方向下的沟槽效应。郭(17研究了不同偏心距下凹窝形状、位置和几何参数对滑动轴承承载能力的影响。螺旋油楔套轴承(见图)1)是一种特殊结构的轴套轴承，在周向上有三个螺旋油楔。Chen等[18研究了出油孔对螺旋油楔复合滑动轴承性能的影响。Wang等[19研究了临界剪应力对螺旋油楔滑动轴承壁面滑移的影响。螺旋角是螺旋油楔套轴承的重要结构参数，对轴承性能影响较大。针对螺旋油楔滑动轴承的螺旋角研究较少，采用数值计算的方法研究了螺旋角对螺旋油楔套轴承静动态特性的影响。

2.理论模型

2.1。螺旋角的等式

如图所示1，螺旋油槽轴承有三个油槽，并在每个油槽的两端具有排油孔1和换热孔2，其表面具有两部分：共同的表面和圆形凹槽表面由三个油槽形成;油膜厚度如下计算。

共面油膜厚度可表示为

圆形凹陷表面的油膜厚度如下： 在哪里表示偏心弧的位置角度， ,是螺旋角,为油膜厚度，是怪癖，是轴承径向间隙，是姿态角度，是轴承半径,为弧面半径，为偏心弧的偏心距，为是角坐标。

2．2.带壁面滑移和JFO边界条件的广义雷诺方程

在高速和超高速的条件下，固液界面的剪切应力可能超过临界剪切应力，并且发生壁滑。传统的雷诺边界条件适合油膜破裂边界，但不能正确解释油膜重整条件;Jakobsson-Floberg-Olsson（JFO）边界条件可确保油膜破裂位置和改革位置的质量保护。因此，基于JFO边界条件，获得了考虑壁滑的概括雷诺等式，这将有利于了解高速轴颈轴承的润滑特性。

临界剪应力模型认为，当剪应力大于临界剪应力时发生壁面滑移，则该值为临界剪应力。螺旋油楔套轴承的表面圆不是连续的，轴承的工作间隙是周向和轴向函数，因此在建立数值模型时考虑了周向和轴向壁面滑移;分别设置了四种情况的模型。四种滑移状态分别为:轴向表面和套筒表面不能发生壁面滑移，壁面滑移只能发生在套筒表面，壁面滑移只能发生在轴向表面，壁面滑移可以发生在轴向表面和套筒表面[19］．

当在轴向表面和套筒表面上发生壁滑动时，所得剪切应力大于临界剪切应力和 ，然后剪切应力在方向等于和 ，和剪切应力在方向等于和 ．

在哪里是剪切应力方向,是周向坐标，是剪切应力方向,是轴向坐标， ， ， ，和是符号函数,套筒表面的临界剪应力在方向,套筒表面的临界剪应力在方向,是径向坐标,为油膜厚度，和在套筒和轴向表面上滑动是临界剪切应力，以及 ．

使用边界条件(3.)，将简化的N-S方程代入考虑轴面和套面壁面滑移的广义Reynolds方程为:

在哪里是油膜压力。

类似地，获得剩余三个滑动状态的广义雷诺等式。

基于JFO边界条件，开关功能修改了与ELROD方法类似的reynolds等式。ELROD方法涉及润滑是可压缩流体，得到密度和压力的关系，并控制全油膜区域为1，空化区域为0.开关功能［3.，4］．

可以用泰勒级数简化为:

在哪里为空化区压力，是润滑剂散装模量，和为无因次密度。

在广义雷诺方程中，Elrod利用密度的变化来反映空化区油膜的连续性。替换 和(6) (4）考虑到密度的变化，

同样，在JFO边界条件的基础上，得到了其余三个条件的广义雷诺方程。

3.数值计算

基于JFO边界条件，采用有限差分法求解了四种滑移条件下的广义雷诺方程。利用偏导数的概念求解微扰压力雷诺方程，计算套筒轴承的刚度和阻尼系数[20.］．所研究轴承的主要参数如表所示1．

4.数值结果与分析

4．1.轴承在不同螺旋角下的静态特性

数据2和3.是螺旋角的影响吗无量纲承载能力和摩擦阻力。从图中可以看出，随着螺旋角的增大，油膜的承载能力和摩擦阻力减小，且减小趋势趋于平缓。其原因是:润滑油沿轴向流动速度增大，润滑油通过端部泄漏和出油孔流出轴承，动态效应减弱，承载力随着螺旋角的增大而减小。考虑壁面滑移和JFO条件下的承载能力和摩阻力均小于无滑移和雷诺边界条件下的计算。例如，在……的情况下 和 ，考虑墙壁滑动和JFO条件的携带能力约为72.7％和82.8％，而不是没有滑动和雷诺边界条件;考虑墙壁滑动和JFO条件比在没有滑动和雷诺边界条件的情况下，摩擦阻力约为16.6％和14.3％。摩擦阻力的减少是有益改善轴承特性的益处，承载能力的降低无益，因此应合理使用壁板以实现轴承表面的减阻。

数据4和5是螺旋角的影响吗无量纲端部泄漏率和温升。从图中可以看出，随着螺旋角的增大，端部泄漏率增大，温升减小 时，端部泄漏率减小，温升增大 ．这主要是因为润滑油通过终端泄漏和出口孔流出轴承，最终泄漏增加，随着螺旋角的增加，温度上升降低。与空隙和Reynolds边界条件的估算相比，最终泄漏率较高，温度升高较小，考虑壁滑和JFO条件相比。例如，在……的情况下 和 考虑壁面滑移和JFO的端部泄漏量比考虑无滑移和雷诺边界条件的端部泄漏量分别高12.1%和9.3%，考虑壁面滑移和JFO的端部温升比考虑无滑移和雷诺边界条件的端部温升低6.3%和15%。端部泄漏量的增加和温升的降低有利于高速轴承转速的提高，但螺旋角值越大越好，最优值为0.7。

4．2．轴承在不同螺旋角下的动态特性

轴承的动态特性反映了轴颈偏离静平衡位置并在该位置附近进行位移运动时油膜力的变化，这对整个轴承转子系统的性能有较大的影响。在小振幅的假设下，基于轴颈中心偏离静平衡位置的瞬时位移和瞬时速度可定义为轴承的刚度系数和阻尼系数。数字6是螺旋角的影响吗在刚度系数 ， ， ，和 ．由图可知，随着螺旋角的增大，刚度系数增大 ， ，和先增后减，然后减小，说明刚度系数在较大值时并不好，存在一个最优值。考虑壁面滑移和JFO条件的计算刚度系数普遍低于无滑移和雷诺边界条件的计算刚度系数。与无滑移计算和雷诺边界条件相比，考虑壁面滑移和JFO条件下的承载能力较小;抗扰动能力下降。

数字7是螺旋角的影响吗β对阻尼系数 ， ， ，和 ．由图可知，随着螺旋角的增大，阻尼系数增大 ， ， ，和先增大后减小，说明阻尼系数并不是越大越好，存在一个最优值。考虑壁面滑移和JFO条件下的阻尼系数普遍低于无滑移和雷诺边界条件下的阻尼系数，且在较大的螺旋角下阻尼系数降低不明显。例如，在……的情况下 ，阻尼系数 ， （),考虑墙壁滑动和JFO条件，约为0.0023,0.045和0.038和0.038，而不是在没有滑动和雷诺边界条件下估算。

5.结论

结论可以总结如下。

随着螺旋角的增大，油膜承载能力和摩擦阻力减小，端部泄漏率先增大后减小，温升先减小后增大;当螺旋角为0.7时，温升最小，端部泄漏率最大，两种性能螺旋角的最优值为0.7。

携带容量，摩擦阻力和温度升高较小，而且在没有滑动和雷诺边界条件的情况下，考虑壁滑和JFO条件的终端泄漏率更高。摩擦阻力和温度升高的降低，最终泄漏的增加是有益的，可以改善高轴承的特性;携带能力的减少无益。因此，当壁板用于改善轴承的特性时，应优化用于组合滑动表面轴承的较高剪切应力的壁滑移区域。

随着螺旋角的增大，刚度系数和阻尼系数一般先增大后减小。考虑壁面滑移和JFO条件下的刚度系数和阻尼系数普遍低于无滑移和雷诺边界条件下的计算。螺旋角对动力系数有不同的影响; ， ， ，和当螺旋角为0.4时，各动力系数最佳;当螺旋角为0.2时，各动力系数均最佳;为了使轴承具有更好的动力特性和抗振动性能，应通过优化设计确定最佳螺旋角。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国博士后科学基金会资助项目的补助金（No.1007m612304），山东省博士后创新基金会（201701016），Sdust Research基金（2015JQJH104），青岛博士后研究资助项目和国家自然科学中国的基础（51305242）。

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