機械強制油潤滑軸承載荷和潤滑狀態(tài)分析

1、機械強制油潤滑軸承載荷和潤滑狀態(tài)分析張毓新 青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院摘要：機械強制油潤滑軸承在當前工業(yè)應(yīng)用中意義重大，對于因速度過高破壞了層流、膜厚過小而發(fā)生咬死，引起潤滑失效；對于若速度或載荷隨時間變化，流體潤滑不僅有楔入效應(yīng)，而且還有擠壓效應(yīng)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展，計算流體力學(xué)以其能準確地模擬復(fù)雜的幾何模型，被越來越廣泛地用于工程領(lǐng)域。本文首先具體分析了機械強制油潤滑軸承的基本原理與應(yīng)用效果，探討了機械強制油潤滑軸承的載荷分布，最后詳細進行了機械強制油潤滑軸承的潤滑狀態(tài)分析。關(guān)鍵詞：載荷；潤滑狀態(tài)；軸承；機械強制油潤滑軸承是一種應(yīng)用廣泛的機械支承，它的性

2、能直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性，改善軸承的速度和動力學(xué)性能,是實現(xiàn)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)高速的技術(shù)關(guān)鍵【1】。同時軸系是動力裝置的重要組成部分，為保證軸系長期安全地正常運行，除應(yīng)保證軸系具有足夠的強度和剛度外，還要保證軸系處于合理的運動狀態(tài)【2】。我們知道，在軸系的運轉(zhuǎn)過程中，軸承與轉(zhuǎn)子之間會產(chǎn)生油膜，軸心的位置會發(fā)生變化，所以軸承反力的數(shù)值將不同于靜止時的軸承反力，同時,軸是由多個不同軸承共同支撐，單個軸承轉(zhuǎn)子與軸承之間的液膜的相互作用也會影響到相鄰軸承與軸頸的相對位置【3】。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，很多機械設(shè)備主軸軸承的發(fā)展趨勢是高速、高溫、耐腐蝕，且要求高速時在容許的溫升下長期保持熱穩(wěn)定和精度穩(wěn)定，以求達到

3、長壽命和高可靠性等要求【4】。為此，本文具體探討了機械強制油潤滑軸承載荷和潤滑狀態(tài)，分析如下。1 機械強制油潤滑軸承的基本原理與應(yīng)用效果按結(jié)構(gòu)和承載的不同，滾動軸承可分為向心軸承、向心推力軸承、推力向心軸承和推力軸承等。在機械設(shè)備中，滾動軸承必須有較高的可靠性，要求有較大的適用溫度，且在此工況下有較長的使用壽命；滾動軸承必須具有一定的徑向或同時徑向和軸向或軸向的承載能力，同時軸承必須具有足夠的剛度以保證軸到軸承座之間的平穩(wěn)傳力【5】。1.1 油膜潤滑基本原理如果正常運轉(zhuǎn)時，軸頸和軸瓦被一層油膜完全隔開，并在油膜中產(chǎn)生流體動壓力，借以平衡外載荷。流體動壓潤滑是依靠被潤滑的一對固體摩擦表面間的相對

4、運動，使介于固體間的潤滑流體膜內(nèi)產(chǎn)生壓力，以承受外載荷而免除固體摩擦副表面相互接觸，從而起到減少摩擦阻力和保護固體摩擦副表面的作用【6】。油膜潤滑的工作原理圖，如圖1-1所示。在外載荷F的作用下，軸頸中心相對于軸承中心在一偏心位置上，偏心距為e，偏位角為。在軸承中心和軸頸中心連心線的延長線上，一端有最大間隙hmax，另一端有最小間隙hmin。其中c為半徑間隙，R為軸承孔半徑。r為軸頸半徑。順著軸頸旋轉(zhuǎn)方向，由hmax到hmin的半圈內(nèi)，間隙是由大變小的收斂楔形，這就是潤滑油膜能產(chǎn)生壓力以承受載荷F的主要幾何條件。在由hmin到hmax的半圈內(nèi)，則為由小變大的開闊楔形，其作用正好相反，因此，潤滑

5、油膜中壓力分布在hmin以后急劇下降。圖1-1：徑向軸承與止推軸承的工作原理圖1.2 機械強制油潤滑軸承的應(yīng)用效果油膜厚度的大小是滑動軸承的要害所在，為確保軸承在液體潤滑條件下安全運轉(zhuǎn)，軸承邊緣處的油膜厚度應(yīng)不低于最小安全值，其中軸承在三個不同轉(zhuǎn)速下的安全值如表1-1所示：表1-1：軸承不同轉(zhuǎn)速下最小油膜厚度安全值轉(zhuǎn)速低速中速高速最小油膜厚度安全值(m)121314通過分析，在固定載荷下，轉(zhuǎn)速越高最小油膜厚度越大；隨著轉(zhuǎn)速的增加，粘性力增大，軸承平均溫度升高；轉(zhuǎn)速不變，油流量增加，軸承平均溫度降低。2 機械強制油潤滑軸承的載荷分布作用于軸承的載荷是通過滾動體由一個套圈傳遞到另一個套圈，滾動軸承

6、的載荷分布就是指將確定外載荷作用時軸承內(nèi)部各滾動體所受載荷，通常軸承內(nèi)各滾動體所受的載荷是不同的【7】。載荷分布主要研究的就是軸承的承載情況和變形情況，承載和變形的大小，直接影響著滾動體與套圈之間的接觸應(yīng)力、潤滑狀態(tài)等，即決定軸承的實用性能和壽命【8】。因此，滾動軸承中的載荷分布分析是研究滾動軸承的力學(xué)基礎(chǔ)。2.1 低速時滾動軸承的載荷分布軸承在低速或靜止時，計算和分析可以不計計及離心力和陀螺力矩的影響。球與內(nèi)外套圈的接觸角相等，并隨軸向載荷的增加而增大。其中接觸角的大小直接影響軸承性能，同時載荷的變化又將引起接觸角的變化。因此接觸角是滾動軸承設(shè)計和使用的重要參數(shù)之一【9】。圖2-1表示了低速

7、或者靜止時，軸承接觸角隨軸向載荷下的變化規(guī)律。隨著軸向載荷的增加，軸承的接觸角增大；原始接觸角越大，軸承越難變形，接觸角越難改變；對同一接觸角而言，接觸角隨載荷的增加初始變化較大，之后趨于平緩。圖2-1：變形位移隨外加載荷的變化規(guī)律2.2 高速時的載荷分布很多機械設(shè)備主軸軸承工作轉(zhuǎn)速往往相對較高，其載荷分布將有別于低速軸承，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸承內(nèi)外圈的載荷也隨著改變，計算和分析時必須考慮球的離心力和陀螺力矩的影響。圖2-2表示了高速滾動軸承旋轉(zhuǎn)時的幾何關(guān)系示意圖。其中，x，y，z為固定坐標系，x 軸與軸承的軸線重合； x'，y'，z'是以滾珠中心o' 為原點的

8、相對坐標系，該坐標系以滾珠的公轉(zhuǎn)角速度b 繞x 軸旋轉(zhuǎn)，x' 軸與x 軸平行，z' 軸指向軸承的外部；u，v，w是以滾珠中心o' 為原點的局部坐標系，o'u 為滾珠的自轉(zhuǎn)軸線。圖2-2：滾珠繞軸旋轉(zhuǎn)時的幾何關(guān)系根據(jù)推理與計算，并以某型主軸軸承為例，計算了計及離心力下某受載情況下的變形位移。計及離心力時，滾子與外滾道接觸的變形位移比與內(nèi)滾道接觸的變形位移大，由數(shù)據(jù)也可以看出，滾子與滾道接觸的變形量都是比較微小的。3 機械強制油潤滑軸承的潤滑狀態(tài)分析 潤滑技術(shù)主要包括潤滑劑和潤滑方法，目的是在軸承的接觸面形成潤滑膜，防止磨損，提高軸承性能。潤滑劑除了形成潤滑膜之外還

9、能帶走軸承熱量，去除接觸表面上的磨粒。潤滑方法是軸承形成潤滑膜的手段，依軸承的工況和潤滑劑種類而定【10】。3.1 油浴潤滑油浴潤滑是將軸承部分侵入油池中進行潤滑。油位的高低直接影響軸承的能耗及溫升，一般油位高度為軸承最下部滾動體的中心線【11】。DN<1.5×105 mm·r/min時，油位可高一點，DN>5×105 mm·r/min時，油池溫升將明顯上升。油浴潤滑有的更新周期可由油品的理化性能變化決定，同時可由圖3-1根據(jù)油池的容量及軸承大小來決定。圖3-1：循環(huán)給油潤滑循環(huán)給油潤滑是一種對軸承部位進行積極潤滑的一種形式，在使用循環(huán)給油潤

10、滑時，軸承可以得到充分潤滑及冷卻，同時軸承的DN值可達到2×106 mm·r/min。3.2 噴油潤滑當DN>2×106 mm·r/min時，潤滑油需要起到冷卻兼潤滑的作用，此時采用噴油潤滑比較合適。3.3 油霧潤滑噴油潤滑雖有良好的潤滑作用，但是存在潤滑油量過量的問題。近年來高速運行的軸承趨向采用微量潤滑，其中油霧潤滑就是一種很好的微量潤滑方式。其原理是潤滑油隨著壓縮空氣（壓力一般0.5MPa）一起吹進軸承內(nèi)部，被霧化的油（油霧粒度約為0.005）在軸承表面再次凝結(jié)形成油膜，起到潤滑作用。油霧潤滑主要用于轉(zhuǎn)速在5×104 r/min 的

11、高速軸承或DN 值在6×105 mm·r/min 以上的軸承進行有效潤滑。3.4 油氣潤滑油氣潤滑是近年來出現(xiàn)的一種新興的潤滑技術(shù)，與傳統(tǒng)的潤滑技術(shù)相比，具有很多突出的優(yōu)點。目前關(guān)于油氣潤滑項技術(shù)的研究較少，如供油量對潤滑方式的影響及供油量的確定等，尚未有人進行研究，大都是參照稀油潤滑或油霧潤滑和憑經(jīng)驗加以確定。4 結(jié)束語 當前機械軸承的發(fā)展趨勢是高速、高溫、耐腐蝕，要達到長壽命和高可靠性等要求。我們希望本文的分析能夠?qū)S承材料的制備與發(fā)展提供參考。參考文獻：1 聞欣榮，孔建益.徑向軸承考慮壓粘效應(yīng)的雷諾方程式及短軸承的近似解J.潤滑與密封，2003(2)：12-14.2

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