CN104613094B - 一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，包括轴瓦、轴颈及轴承座，轴瓦是由内轴瓦与外轴瓦组成的复合轴瓦，在内轴瓦的下端外壁上开有弧形凹槽状的注油腔，注油腔与内轴瓦内壁之间形成内轴瓦薄壁部分；外轴瓦同轴紧密套在内轴瓦外；在内轴瓦上开有与注油腔相连通的注油孔，注油孔向注油腔内注入的是高压油；在上轴承座以及复合轴瓦上开有进油孔，进油孔连通楔形腔，从进油孔注入的是普通压力的润滑油；润滑油注入后，当轴颈旋转时，润滑油产生的油膜力不能使内轴瓦薄壁部分发生塑性变形；当轴颈受到外载荷大时，高压油所产生的压力使内轴瓦薄壁部分发生塑形变形，促使油膜厚度变薄，提高油膜阻尼刚度大小和提高转子的临界转速。

Description

一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承

技术领域

本发明涉及一种滑动轴承，尤其涉及一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，适用于大型高速重载场合。

背景技术

随着工程机械向着高速、重载方向的飞速发展，滑动轴承用于大型的汽轮机等旋转机械上日趋广泛。和滚动轴承相比，滑动轴承具有承载能力高、抗振性好、工作平稳可靠、噪声小、寿命长等优点，滑动轴承中形成的油膜使得滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，可大大减少摩擦损失和表面磨损，从而增加轴承的寿命；另外，具有一定的吸振能力的润滑油膜有利于提高轴承运转的稳定性和运转精度。对高速运转稳定性影响最直接的就是转子系统中滑动轴承的支承特性，即刚度特性和阻尼特性。例如：当汽轮机高速运转时，滑动轴承刚度阻尼较小时，易造成汽轮机转子系统产生激烈地振动，造成汽轮机转子的破坏等机组事故。

目前，一般通过以下几种方法来改变滑动轴承的轴瓦、轴颈的结构来提升轴承的刚度和阻尼：1、通过改变轴瓦的曲率半径以提高轴承的刚度阻尼，但轴瓦的曲面加工不容易实现；2、将轴颈经非圆修形形成多个油楔以提高轴承刚度阻尼作用，但这只适合轴颈固定不转的场合；3、通过在轴瓦外圈上开一周的油槽，由加工出不同宽度的油槽改变轴承刚度，但加工不同宽度的油槽对于已经处于工作中的轴承不好实现；4、用螺栓把弹性垫块连接在轴瓦外圈上，在弹性垫块和轴瓦中加入垫圈，从而调节轴瓦与轴颈油膜间隙以影响轴承的刚度阻尼，但该方法同样对于已经安装好的轴承不方便实施。5、通过控制系统控制执行单元螺杆的伸缩调整可倾瓦块与轴颈之间间隙，以改变轴承的刚度阻尼大小，此方法实现了智能化操作方便，但结构复杂，实现存在一定的困难。

因此，目前对滑动轴承结构方面的改进，虽然能够提高轴承的刚度和阻尼，但存在结构复杂、加工不易和操作不便等问题。

油膜间隙对轴承油膜刚度阻尼的影响，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院陆金铭、周海港、顾卫俊用ANSYS及MATLAB软件分析计算轴承油膜对推进轴系动态校中的影响，得到轴承间隙增大，油膜刚度减小的结论（参见：陆金铭，周海港，顾卫俊 . 船舶轴系动态校中轴承油膜的影响计算. 船舶工程，2009(9)：69-72）；东北电力大学张艾萍、王德、李守海通过理论分析得到当外载增加时，轴瓦与轴颈的间隙减小，油膜厚度变薄，油膜刚度变大，机组振动幅值减小的结论（参见；张艾萍，王德，李守海.汽轮机组振动幅值与轴承载荷及油膜刚度之间的关系.汽轮机技术，2002(4)：257-258）；因此合理选择油膜间隙对改善轴承的性能有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术存在的问题，提出一种结构简单、易加工实现、操作简单的带注油腔的多层复合轴瓦轴承，通过注油腔注入高压油促使油膜厚度变薄即可实现轴承刚度阻尼的改变。

本发明采用的技术方案是：本发明包括轴瓦、轴颈及轴承座，轴承座有上轴承座和连接在上轴承座下方的下轴承座组成，轴承座中间的空腔中设轴瓦和轴颈，轴瓦与轴承座固定连接且轴瓦有间隙地套在轴颈外，所述轴瓦是由内轴瓦与外轴瓦组成的复合轴瓦，在内轴瓦的下端外壁上开有弧形凹槽状的注油腔，注油腔与内轴瓦内壁之间形成内轴瓦薄壁部分；外轴瓦同轴紧密套在内轴瓦外，外轴瓦和内轴瓦固定连接为一体，内轴瓦的内壁与轴颈之间的间隙形成楔形腔；在内轴瓦上开有与注油腔相连通的注油孔，注油孔向注油腔内注入的是高压油；在上轴承座以及复合轴瓦上开有进油孔，进油孔连通楔形腔，从进油孔注入的是普通压力的润滑油。

进一步地，注油腔8的径向截面是弧型且关于内轴瓦径向截面上的垂直中心线左右对称，注油腔的弧长占内轴瓦周长的八分之一；内轴瓦薄壁部分的径向壁厚是内轴瓦径向壁厚的八分之一。

润滑油注入后，当轴颈旋转时，润滑油产生的油膜力不能使内轴瓦薄壁部分发生塑性变形；当轴颈受到外载荷大时，通过注油孔注入高压油至注油腔中，高压油所产生的压力使内轴瓦薄壁部分发生塑形变形。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过在复合轴瓦内轴瓦上开注油腔，在注油腔中加入高压油可使复合轴瓦内轴瓦发生一定的弹性变形量，弹性变形量的存在可以促使油膜厚度变薄，可以改变轴承间隙大小，间接影响了阻尼刚度，提高油膜阻尼刚度大小，也即改变了转子的临界转速，而提高转子的临界转速，能规避转子跨越临界转速，旋转机械工作的稳定性得到保证。

2、本发明能根据根据大型重载中的转子实际工况来调节滑动轴承油膜力大小实现转子平稳运转。

3、本发明由内轴瓦与外轴瓦组合成的这种复合轴瓦由于不是内型腔，而是通过外轴瓦实现对注油腔的密封效果，所以外轴瓦对注油腔起到了密封防止润滑油的泄露，同时这种结构能够避免内型腔的加工，降低了轴瓦结构的加工难度，轴瓦结构简单。

4、本发明中楔形腔形成的油膜使得滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，则可以大大减少摩擦损失和表面磨损从而增加轴承的寿命；另外，具有一定的吸振能力的润滑油膜有利于提高轴承运转的稳定性和运转精度。

5、在圆瓦滑动轴承中，轴瓦的偏心率大小通常是由轴颈的受力决定的，而滑动轴承用在重载场合较多，当外载很大时，本发明可以通过调整轴瓦位置直接达到改变油膜力大小，进一步增大轴瓦的承载能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明所述一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承的主视剖视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1中复合轴瓦的结构图；

图4为图3中内轴瓦结构局部受力变形放大图；其中，图4（a）为内轴瓦局部受力放大示意图；图4（b）为内轴瓦受力变形放大示意图；

图5为本发明中注油腔压力与轴承承载力关系图；

图6为本发明中注油腔压力与油膜刚度关系图；

图7为本发明中注油腔压力与油膜阻尼关系图。

图中1.油孔；2-1.上轴承座；2-2.下轴承座；3.外轴瓦；4.内轴瓦；5.轴颈；6.楔形腔；7.注油孔；8.注油腔；9.螺栓孔；10.底座槽；11.螺栓孔；12.销轴；13.内轴瓦薄壁部分。

具体实施方式

参见图1和图2所示，本发明包括三部分：带注油腔的复合轴瓦、高速旋转的轴颈5以及起固定作用的轴承座。其中，轴承座有上轴承座2-1和连接在上轴承座2-1下方的下轴承座2-2组成，上轴承座2-1和下轴承座2-2上下对合并固定连接在一起组成轴承座。固定时，在上轴承座2-1和下轴承座2-2均开有4个螺栓孔9，螺栓孔9均为通孔，用螺栓通过螺栓孔9把上轴承座2-1和下轴承座2-2固定连接在一起。在轴承座的底座上开有4个螺栓孔11，用于固定整个轴承，把轴承受的冲击转移至底座上。在轴承座的底座底部有两对称分布的底座槽10，螺栓孔9经过底座槽10，与底座槽10相通，底座槽10便于上轴承座2-1和下轴承座2-2通过螺栓的连接，其次当轴承受到冲击载荷时，底座槽10部分的刚度远远小于未带底座槽的刚度，此时底座槽10的各个侧面产生挠曲、压缩和拉伸变形，起到了阻尼作用，从而有效缓冲轴承冲击载荷的作用。

在轴承座中间的空腔中安装复合轴瓦和轴颈5，复合轴瓦和轴颈5均水平放置，复合轴瓦有间隙地套在轴颈5之外，轴颈5的重心向下，使轴颈5整体靠近复合轴瓦的下底部，这样复合轴瓦和轴颈5之间形成楔形腔6。复合轴瓦与轴承座之间通过螺钉固定在一起。在上轴承座2-1以及复合轴瓦上开有贯通内外的进油孔1，进油孔1从外至内连通至楔形腔6，进油孔1沿复合轴瓦的径向布置，进油孔1的中心线与复合轴瓦的轴心线相垂直。外部普通压力的润滑油由此进油孔1进入楔形腔6中对整个轴承进行润滑。

再参见图3，复合轴瓦由内轴瓦4与外轴瓦3组成，在内轴瓦4的下端外壁上开有弧形凹槽状的注油腔8。将外轴瓦3同轴套在内轴瓦4外，并且，外轴瓦3的内壁与内轴瓦4的外壁紧密贴合在一起，两者之间没有间隙，使注油腔8形成一定形状的封闭空间。外轴瓦3和内轴瓦4通过几个销轴12固定连接为一体，将外轴瓦3通过螺钉再固定在轴承座上，这样使外轴瓦3与内轴瓦4整体固定在轴承座上。内轴瓦4的内壁与轴颈5之间的间隙是楔形腔6。在内轴瓦4上开有与注油腔8相连通的注油孔7，注油孔7的轴心线与内轴瓦4的轴心线相平行且注油孔7的中心在内轴瓦4的垂直中心线上，由注油孔7向注油腔8内注入的是高压油。

注油腔8的径向截面是弧型，并且关于内轴瓦4的径向截面上的垂直中心线左右对称，注油腔8的弧长占内轴瓦4周长的八分之一。注油腔8与内轴瓦4内壁形成内轴瓦薄壁部分13，内轴瓦薄壁部分13的径向壁厚是内轴瓦4径向壁厚的八分之一。注油孔7的中心与内轴瓦4内壁之间的距离占内轴瓦4径向壁厚的四分之一。

内轴瓦4的径向壁厚是外轴瓦3的4倍，内轴瓦4与外轴瓦3采用常用的金属材料。

进油孔1的中心线与复合轴瓦的径向截面上的垂直中心线之间的夹角是30°，进油孔1位于内轴瓦4与外轴瓦3的非承载区，进油孔1开在非承载区可保证油膜的承载能力。

当轴颈5受到外载荷比较大时，通过注油孔7注入高压油至注油腔8中，外轴瓦3的存在使注油腔8形成一定形状的封闭空间，这种结构能减少注油腔8的加工难度。注油腔8中充满高压油时，注油腔8中高压油所产生的压力迫使内轴瓦薄壁部分13发生塑形变形。参见图4，由材料力学知识可知：当注油腔8中未注满高压油时，内轴瓦4的内轴瓦薄壁部分13未发生弹性变形的弧长是弧段；当高压油填满注油腔8后，内轴瓦薄壁部分13受高压油所产生的压力作用发生塑形变形；因为受均布载荷作用，注油腔8结构又左右对称，可知内轴瓦薄壁部分13关于内轴瓦4垂直线中心的左右两半部分发生的变形是对称的，所以取弧段进行受力分析。弧段可看成是受均布载荷的单元，均布载荷迫使弧段发生弯曲变形，弧段向楔形腔6内变形后成为弧段；同理可得弧段向楔形腔6内变形后成为弧段；于是弧段变形为弧段。由图4可知由弧段变为弧段的瞬间，导致复合轴瓦与轴颈5之间的间隙减小，油膜间隙减小，油膜厚度变薄，油膜刚度变大。所以在往注油腔8中注入高压油时注油腔8会发生的形变，此塑形形变会导致轴承油膜间隙减小，油膜厚度的变薄最终导致油膜刚度增大。

当没有润滑油从进油孔1注入轴颈5与复合轴瓦之间的间隙楔形腔6中时，轴颈5的中心向下，轴颈5靠近复合轴瓦的下底部，这样，轴颈5与复合轴瓦之间的间隙刚好形成楔形腔6。当进油孔1中注入普通压力润滑油时，润滑油进入到轴颈5与复合轴瓦之间的楔形腔6中，轴颈5以一定的转速旋转时，轴颈5的转动带动润滑油流动，而轴颈5与复合轴瓦之间存在的楔形腔6，满足油膜压力产生的条件，从而支撑轴颈5稳定运转。此时的润滑油为普通润滑油，产生的油膜力不足以使内轴瓦薄壁部分13发生塑性变形。

下面对内轴瓦薄壁部分13受力的弹性变形进行具体的分析，由弹性力学公式知圆筒受液压油受力后的变形量的公式如下：

，

式中y为挠性位移，为内轴瓦4内径，为内轴瓦4外径，为弧段的半径，注油腔8有内部压力，注油腔8有外部压力，为泊松比，E为轴瓦弹性模量。

当油膜间隙减小时，油膜压力是增大的，则油膜力变大。下面进一步分析油膜间隙与油膜刚度间的关系：

由上式圆筒受液压油受力后的变形量的公式可以求得轴承的油膜间隙如下式：

，

式中h为油膜厚度，c为轴承间隙，e为偏心距，为以00’ 弧段（ 00’为复合轴瓦圆心与轴颈圆心连线）为参考边顺时针旋转的油膜角（其中的范围为），为以00’ 弧段为参考边顺时针旋转的注油腔8的起始边的角度，为以00’ 弧段为参考边顺时针旋转的注油腔8的终止边的角度，内轴瓦薄壁部分13为八分之一的内轴瓦4周长，则。由流体力学理论知雷诺方程如下式：

，

上式中r为为轴颈5的半径，z为轴向轴承宽度，为轴颈5的转速，p油膜压力，润滑油粘度，和分别是轴颈5的瞬时变位速度。

轴承压力边界条件采用轴承座端边界处是在处时；油膜破裂起始边界条件是；油膜破裂终止边界条件是，由上式结合油膜间隙公式可以求得下式：

，

通过上式可以求得无量纲油膜刚度阻尼，也即可以求出注油腔8的油压与轴承刚度阻尼之间的关系。例如：取轴颈承角速度，润滑油动力粘度，轴承直径为，长径比为0.7，润滑油密度为865，轴承偏心率为0.4，楔形腔油膜压力为0.12，内轴瓦4厚度为8mm，其中注油腔8径向深7mm，外轴瓦3的厚度为3mm，注油腔8的弧顶弧长为159.75mm并关于垂直中心线对称分布，复合轴瓦采用铸造锡基巴氏合金ZSnSb11Cu6，它们之间的关系可以求得并作图分析。通过图可以清晰的看到注油腔8的压力变化对轴承的刚度、阻尼及轴承承载力的影响。通过理论分析求出轴承的油膜刚度作图，图6为本发明所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承的注油腔压力与油膜刚度关系图，图6中注油腔8的压力为0时的油膜刚度为注油腔8未加高压油或高压油未填满注油腔的阻尼。作图时图中曲线、、、、、、、用、、、、、、、表示。从图6可以看到随着注油腔8中润滑油压力的增大，， ，是呈上升趋势，表明轴承的无量刚， ，是增大的；而是下降的，但这4个油膜刚度中，只有为负，在数值上其也是增大的，也即轴承的无量纲刚度在数值上随注油腔8的压力增大而增大。

图7为本发明所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承的注油腔压力与油膜阻尼关系图。图7中注油腔8的压力为0时的油膜阻尼为注油腔未加高压油或高压油未填满注油腔的阻尼。可以看到随着注油腔8中润滑油压力的增大，， ，是呈上升趋势，表明轴承的无量刚油膜阻尼， ，是增大的。

图5为本发明所述带注油腔的新型复合轴瓦滑动轴承的注油腔压力与轴承承载力关系图。同理图5中注油腔8压力为0时的油膜阻尼为注油腔8未加高压油或高压油未填满注油腔的阻尼。从图5中可以直观看到注油腔8中油压在0-6MPa变化时，轴承承载力上升明显，无量纲承载力从8.0024变化到最大的11.0279，承载力变化为原来的1.38倍。

由以上分析可知，轴承间隙的减小会导致轴承刚度阻尼及轴承承载力的提高，同时注油腔8及轴承底座槽的存在也能增加轴承系统的刚度。因此，在本发明中，当轴承外载比较大时，可以通过调节往注油腔8中注入高压油，可以影响油膜刚度阻尼的改变，最终达到提高转子临界转速及控制转子振动的目的。

Claims (6)

1.一种带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，包括轴瓦、轴颈及轴承座，轴承座有上轴承座（2-1）和连接在上轴承座（2-1）下方的下轴承座（2-2）组成，轴承座中间的空腔中设轴瓦和轴颈，轴瓦与轴承座固定连接且轴瓦有间隙地套在轴颈外，其特征是：所述轴瓦是由内轴瓦（4）与外轴瓦（3）组成的复合轴瓦，在内轴瓦（4）的下端外壁上开有弧形凹槽状的注油腔（8），注油腔（8）与内轴瓦（4）内壁之间形成内轴瓦薄壁部分（13）；外轴瓦（3）同轴紧密套在内轴瓦（4）外，外轴瓦（3）和内轴瓦（4）固定连接为一体，内轴瓦（4）的内壁与轴颈（5）之间的间隙形成楔形腔（6）；在内轴瓦（4）上开有与注油腔（8）相连通的注油孔（7），注油孔（7）向注油腔（8）内注入的是高压油；在上轴承座（2-1）以及复合轴瓦上开有进油孔（1），进油孔（1）连通楔形腔（6），从进油孔（1）注入的是普通压力的润滑油，润滑油注入后，当轴颈（5）旋转时，润滑油产生的油膜力不能使内轴瓦薄壁部分（13）发生塑性变形；当轴颈（5）受到外载荷大时，通过注油孔（7）注入高压油至注油腔（8）中，高压油所产生的压力使内轴瓦薄壁部分（13）发生塑形变形。

2.根据权利要求1所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，其特征是：注油腔（8）的径向截面是弧型且关于内轴瓦（4）径向截面上的垂直中心线左右对称，注油腔（8）的弧长占内轴瓦（4）周长的八分之一；内轴瓦薄壁部分（13）的径向壁厚是内轴瓦（4）径向壁厚的八分之一。

3.根据权利要求1所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，其特征是：注油孔（7）的中心与内轴瓦（4）内壁之间的距离占内轴瓦（4）径向壁厚的四分之一。

4.根据权利要求1所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，其特征是：进油孔（1）的中心线与复合轴瓦的径向截面上的垂直中心线之间的夹角是30°。

5.根据权利要求1所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，其特征是：内轴瓦（4）的径向壁厚是外轴瓦（3）的4倍。

6.根据权利要求1所述带注油腔的多层复合轴瓦滑动轴承，其特征是：上轴承座（2-1）和下轴承座（2-2）上均开有4个螺栓孔（9），轴承座的底座底部有底座槽（10），螺栓孔（9）与底座槽（10）相通。