CN112307571B - 径向推力一体式水润滑轴承及其自适应混合润滑分析方法 - Google Patents

径向推力一体式水润滑轴承及其自适应混合润滑分析方法 Download PDF

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CN112307571B CN202010649742.2A CN202010649742A CN112307571B CN 112307571 B CN112307571 B CN 112307571B CN 202010649742 A CN202010649742 A CN 202010649742A CN 112307571 B CN112307571 B CN 112307571B
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Abstract

本发明公开了一种径向推力一体式水润滑轴承，在现有径向轴承水润滑轴承的端部设置法兰盘和推力瓦，推力瓦包括弹性层、金属层和耐磨层，有效提高了水润滑轴承的径向轴向高承载能力。并提出了考虑径向轴承与推力轴承在公共边界处的流量以及动压连续性条件的径向推力一体式水润滑轴承自适应混合润滑分析方法，可用于揭示径向推力一体式水润滑轴承的径向轴承与推力轴承在运行过程中的耦合润滑机制，为径向推力一体式水润滑轴承摩擦学性能优化提供理论指导。

Description

径向推力一体式水润滑轴承及其自适应混合润滑分析方法
技术领域
本发明属于轴承技术领域,具体地讲,特别涉及一种径向推力一体式水润滑轴承及其自适应混合润滑分析方法。
背景技术
传统的水润滑橡胶合金轴承均为直管型的径向轴承，在运转过程中，难免会产生轴向窜动，加剧了橡胶合金衬与轴之间的摩擦磨损，降低了轴承的使用寿命、以及设备运行的可靠性、平稳性和精度。
专利文献CN102322482B公开了一种可承受轴向载荷的水润滑橡胶合金轴承，通过在轴壳一端设置法兰盘，法兰盘上粘贴橡胶合金衬，将水润滑橡胶合金轴承与止推轴承融为一体，有效地避免轴运转过程中的轴向窜动，降低轴和轴承工作面间的摩擦、磨损，使轴运转更加平稳、可靠。
专利文献CN106704362A公开了一种整体式可协调变形水润滑推力轴承，通过在推力轴承座上固定多个推力瓦，每一推力瓦包括弹性层和非金属耐磨层，利用推力瓦结构设计实现可协调变形功能，使得推力轴承在运行过程中可以自发形成有利于水膜建立的楔形空间。
专利文献CN106678172A公开了一种BTG橡胶水润滑推力轴承，通过在推力轴承座上固定多个推力瓦，推力瓦与推力轴承座固定的一侧为由弹性材料制成的弹性层，推力瓦最外层为由BTG橡胶制成的耐磨层，耐磨层通过调节金属瓦固定于弹性层，这样用BTG橡胶材料制作推力瓦的耐磨层，具有良好的抗磨损性能和缓冲吸振性能，因为橡胶层直接与推力盘相接触，可以最大限度的发挥BTG橡胶材料的优良性能，用金属瓦基作为楔形空间的调节块，通过巧妙的结构设计，实现双向调节；用橡胶材料作为自适应变形层，根据瓦面的受力自发调整变形方式，形成有利于动压水膜建立的楔形空间。
综上，现有的既能实现自平衡、自适应、又能避免轴向窜动、实现径向轴向高承载能力的径向推力一体式水润滑轴承还未见研究。现有的径向推力一体水润滑轴承混合润滑仿真模型无法模拟摩擦副界面存在的弹塑性接触行为，也无法通过算法求解自适应变形推力瓦在压力(水膜动压和接触压力)驱动下的楔形空间；现有的算法也无法表征径向轴承与推力轴承在公共边界处的流量连续以及压力连续。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种径向轴向高承载能力的径向推力一体式水润滑轴承。
本发明实现上述目的的技术方案如下：一种径向推力一体式水润滑轴承，包括筒状的轴壳，在所述轴壳的内壁固定粘接有径向承载橡胶合金衬，所述轴壳的一端延展形成有法兰盘，所述橡胶合金衬采用BTG橡胶材料，在所述法兰盘上固定有周向均布的多个推力瓦，相邻推力瓦之间留有间距，每一所述推力瓦均包括弹性层、金属层和耐磨层，所述弹性层采用橡胶材料、并粘接固定在法兰盘上，所述金属层粘接固定在弹性层上，在金属层上设有朝向弹性层一侧的凸筋，所述凸筋沿法兰盘的径向布置，所述耐磨层采用BTG橡胶材料、并粘接固定在金属层上。
采用上述结构，径向推力一体化的设计使轴承可以径向与轴向的双向高承载，避免单独使用时产生的轴向窜动或者径向窜动，不仅有利于水润滑轴承使用寿命的延长，而且可以有效应用于径向载荷与推力载荷共存的特殊工况环境中，扩大了水润滑轴承的应用范围。并且径向和轴向均采用BTG橡胶材料作为摩擦副，显著地提高了轴承的抗磨损和缓冲吸振性能。推力瓦上橡胶材料的弹性层可以改善推力瓦的受力条件，防止局部集中受力等问题的出现，减小受力不均匀与瓦面不平衡状态，同时可以起到减震抗冲击的作用；BTG橡胶材料的耐磨层则可以形成润滑水膜；而金属层不仅可以有效提高推力瓦整体的刚度与强度，而且可以实现瓦面的倾斜、促使产生楔形水膜。具体地：当耐磨层与接触零部件接触受力时，金属层和弹性层就会产生相应的变形协调，从而实现自适应推力瓦楔形空间的建立，改善润滑条件；并且推力瓦周向均布，相邻推力瓦之间留有间距，不管是正转还是翻转，都可以形成有效的楔形润滑水膜，实现了双向运转的要求。这种综合采用金属和橡胶材料的推力瓦，兼具非金属与金属的优良特性，在保证水润滑轴承径向承载能力的同时，实现自适应推力轴承在水膜动压力和弹塑性接触压力联合驱动下自发形成水膜楔形空间，大大提高了轴承复杂工况下的使用性能。
本发明的另一目的在于提供一种径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，揭示径向轴承与推力轴承混合润滑耦合机制，为一体式水润滑轴承摩擦学性能优化提供理论指导。
本发明实现上述目的的技术方案如下：一种上述径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，包括以下步骤：
步骤一：根据初始参数，包括径向轴承偏心率、偏位角以及推力轴承初始膜厚，求解节点水膜压力值；
步骤二：采用Kogut-Etsion粗糙峰接触模型求解接触压力，并判断流体压力和接触压力是否达到收敛条件；
步骤三：如果流体压力、接触压力和偏位角均达到收敛性条件，采用影响系数法计算径向轴承、推力轴承、轴颈以及推力盘表面的变形；否则返回步骤一变形迭代。
为了使径向轴承处于稳态运行工况，在步骤三中，当流体压力和接触压力均满足收敛性条件，而偏位角未达到收敛性条件时，对偏位角进行修正调整再返回步骤一变形迭代。
为了增强数值计算收敛性、稳定性以及鲁棒性，在每一次变形迭代中采用低松弛修正技术。
径向轴承与推力轴承的流体动压行为通过笛卡尔坐标系下和极坐标下的平均雷诺方程模拟：
1)笛卡尔坐标系下
Figure GDA0003055799910000041
2)极坐标系下
Figure GDA0003055799910000042
方程(1)(2)通过有限差分法和/或有限元法和/或控制体积法和/或变分法求解计算。
水膜压力以及流量在公共边界处的连续性条件如下：
Figure GDA0003055799910000043
步骤二建立模型如下：
Figure GDA0003055799910000044
其中，“*”代表无量纲参数，其中h*和
Figure GDA0003055799910000046
的无量纲相对单位都为表面复合粗糙度参数σ。Ic表示积分运算，其具体表达式为：
Figure GDA0003055799910000045
其中，z*的无量纲相对单位为σ，φ*(z*)为无量纲粗糙表面概率密度函数，按下式计算：
Figure GDA0003055799910000051
式中，σs为粗糙表面高度均方根值，粗糙表面高度均方根值σs与粗糙峰均方根值σ的关系表达式，如下：
Figure GDA0003055799910000052
在式(4)中，
Figure GDA0003055799910000053
按下式计算：
Figure GDA0003055799910000054
其中，HB为轴承硬度，K为与轴承泊松比υB有关的无量纲参数，具体按下式计算：
K＝0.454+0.41υB (9)
步骤三影响系数法变形模拟如下：
Figure GDA0003055799910000055
式中δSE，δJE，δPE和δTE为轴颈、径向轴承、推力瓦以及推力盘弹性变形，而GSE,GJE,GPE和GTE为与上述变形对应的影响系数，变形影响系数定义为在节点(θξ,yη)或(θξ,rη)处作用单位力在(θj,yk)或(θj,rk)节点处产生的变形量。
步骤三中推力轴承变形计算如下：先根据动压润滑理论，求解界面压力；然后将压力分布积分求解得到动压载荷和接触载荷，并与外载荷对比得出载荷差，也即载荷差＝求解载荷-推力载荷；再根据载荷差产生的协调变形增量调整水膜间隙；最终通过循环迭代流程求解得到给定工况下的界面压力分布和摩擦学性能。在本发明中，推力瓦的膜厚修正不再依赖预定的修正公式，而取决于由每一迭代步的具体压力分布，具有自算法自适应性以及良好收敛性的优势。
径向推力一体式水润滑轴承混合润滑数值模拟是一个涉及多重判敛的循环迭代过程，而接触界面水膜压力、弹塑性接触压力、自适应变形以及公共边界处的连续性条件之间相互耦合极大地增加了模型分析的复杂度和难度。本发明提出的混合润滑分析方案考虑了径向轴承与推力轴承在公共边界处的流量以及动压连续性条件，可用于揭示径向轴承与推力轴承在运行过程中的耦合润滑机制，为一体式水润滑轴承摩擦学性能优化提供理论指导。
有益效果：本发明通过将径向轴承与推力轴承一体式设计，有效提高了水润滑轴承的径向轴向高承载能力；并提出了考虑径向轴承与推力轴承在公共边界处的流量以及动压连续性条件的混合润滑分析方法，可用于揭示径向轴承与推力轴承在运行过程中的耦合润滑机制，为径向推力一体式水润滑轴承摩擦学性能优化提供理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为图1的A-A剖视图。
图3为图1中推力瓦的B-B剖视图。
图4为实施例二的流程图。
图5为实施例二中径向推力一体式水润滑轴承的求解域。
图6为实施例二中推力轴承自适应混合润滑分析流程图。
附图标记：轴壳1、法兰盘1a、橡胶合金衬2、凹槽2a、推力瓦3、弹性层311、金属层312、耐磨层313、径向轴承求解域4、公共边界5、推力轴承求解域6。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例一：
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种径向推力一体式水润滑轴承，包括筒状的轴壳1，在所述轴壳1的内壁固定粘接有径向承载橡胶合金衬2，所述橡胶合金衬2采用BTG橡胶材料，在橡胶合金衬2的内壁开有多条轴向布置的凹槽2a，多条所述凹槽2a沿所述轴壳1的中心线周向均布。所述轴壳1的一端延展形成有法兰盘1a，在所述法兰盘1a的端面上固定有周向均布的多个推力瓦3，相邻所述推力瓦3之间留有间距。每一所述推力瓦3均包括弹性层311、金属层312和耐磨层313，所述弹性层311采用橡胶材料、并直接硫化粘接固定在法兰盘1a上。所述金属层312粘接固定在弹性层311上，在金属层312上设有朝向弹性层311一侧的凸筋，所述凸筋沿法兰盘1a的径向布置。所述耐磨层313采用BTG橡胶材料、并粘接固定在金属层312上。
实施例二：
本实施例提供一种实施例一所述径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，如图4、图5和图6所示，包括以下步骤：
步骤一：根据初始参数，包括径向轴承偏心率、偏位角以及推力轴承初始膜厚，求解节点水膜压力值；
步骤二：采用Kogut-Etsion粗糙峰接触模型求解接触压力，并判断流体压力和接触压力是否达到收敛条件；
步骤三：如果流体压力、接触压力和偏位角均达到收敛性条件，采用影响系数法计算径向轴承、推力轴承、轴颈以及推力盘表面的变形；否则返回步骤一变形迭代。为了使径向轴承处于稳态运行工况，当流体压力和接触压力均满足收敛性条件，而偏位角未达到收敛性条件时，对偏位角进行修正调整再返回步骤一变形迭代。为了增强数值计算收敛性、稳定性以及鲁棒性，在每一次变形迭代中采用低松弛修正技术。
径向轴承与推力轴承的流体动压行为通过笛卡尔坐标系下和极坐标下的平均雷诺方程模拟：
1)笛卡尔坐标系下
Figure GDA0003055799910000081
2)极坐标系下
Figure GDA0003055799910000082
方程(1)(2)通过有限差分法和/或有限元法和/或控制体积法和/或变分法求解计算。
水膜压力以及流量在公共边界处的连续性条件如下：
Figure GDA0003055799910000083
步骤二建立模型如下：
Figure GDA0003055799910000084
其中，“*”代表无量纲参数，其中h*和
Figure GDA0003055799910000091
的无量纲相对单位都为表面复合粗糙度参数σ。Ic表示积分运算，其具体表达式为：
Figure GDA0003055799910000092
其中，z*的无量纲相对单位为σ，φ*(z*)为无量纲粗糙表面概率密度函数，按下式计算：
Figure GDA0003055799910000093
式中，σs为粗糙表面高度均方根值，粗糙表面高度均方根值σs与粗糙峰均方根值σ的关系表达式，如下：
Figure GDA0003055799910000094
在式(4)中，
Figure GDA0003055799910000095
按下式计算：
Figure GDA0003055799910000096
其中，HB为轴承硬度，K为与轴承泊松比υB有关的无量纲参数，具体按下式计算：
K＝0.454+0.41υB (9)
步骤三影响系数法变形模拟如下：
Figure GDA0003055799910000097
式中δSE，δJE，δPE和δTE为轴颈、径向轴承、推力瓦以及推力盘弹性变形，而GSE,GJE,GPE和GTE为与上述变形对应的影响系数，变形影响系数定义为在节点(θξ,yη)或(θξ,rη)处作用单位力在(θj,yk)或(θj,rk)节点处产生的变形量。
如图6所示，步骤三中推力轴承变形计算如下：先根据动压润滑理论，求解界面压力；然后将压力分布积分求解得到动压载荷和接触载荷，并与外载荷对比得出载荷差，也即载荷差＝求解载荷-推力载荷；再根据载荷差产生的协调变形增量调整水膜间隙；最终通过循环迭代流程求解得到给定工况下的界面压力分布和摩擦学性能。
本实施例还提供一种实施例一所述径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑模型，如图4、图5和图6所示。
(1)模型构架
a)润滑力学建模
径向推力一体式水润滑轴承中，径向轴承与推力轴承的流体动压行为可分别通过笛卡尔坐标系下和极坐标下的平均雷诺方程模拟：
1)笛卡尔坐标系下
Figure GDA0003055799910000101
2)极坐标系下
Figure GDA0003055799910000102
方程(1)(2)可通过有限差分法、有限元法、控制体积法以及变分法等多种数值迭代方法求解计算。
b)公共边界条件
针对所发明的径向推力一体式水润滑轴承，水膜在径向轴承与推力轴承公共边界处联通，因此需要建立水膜压力以及流量在公共边界处的连续性条件。
基于流体力学知识，建立公共边界条件如下：
Figure GDA0003055799910000111
c)接触力学建模
所发明的径向推力一体式水润滑轴承由于BTG摩擦副材料的特殊性，界面接触往往处于弹塑性接触的范畴。为此，本发明采用Kogut-Etsion接触模型模拟径向轴承与推力轴承在摩擦副界面的接触行为：
Figure GDA0003055799910000112
其中，“*”代表无量纲参数，其中h*和
Figure GDA0003055799910000113
的无量纲相对单位都为表面复合粗糙度参数σ。Ic表示积分运算，其具体表达式为：
Figure GDA0003055799910000114
其中，z*的无量纲相对单位为σ，φ*(z*)为无量纲粗糙表面概率密度函数，可按下式计算：
Figure GDA0003055799910000115
式中，σs为粗糙表面高度均方根值，粗糙表面高度均方根值σs与粗糙峰均方根值σ的关系表达式，如下：
Figure GDA0003055799910000121
在式(4)中，
Figure GDA0003055799910000122
可按下式计算：
Figure GDA0003055799910000123
其中，HB为轴承硬度，K为与轴承泊松比υB有关的无量纲参数，具体可按下式计算：
K＝0.454+0.41υB (9)
d)结构变形有限元建模
径向轴承与推力轴承接触副界面会在流体压力以及接触压力的联合驱动下产生变形，通过改变润滑间隙进而影响摩擦副界面的混合润滑行为。
对于推力轴承，倾角可调结构在压力驱动的作用下产生与负载相协调的变形，由此自动产生与外载荷匹配的水膜楔形角，根据动压润滑理论，求解界面压力。随后将压力分布积分求解得到载荷(动压载荷和接触载荷)，并与外载荷对比得出载荷差(求解载荷-推力载荷)。为了得到与外载荷匹配的楔形水膜间隙，根据载荷差产生的协调变形增量以调整水膜间隙，最终通过循环迭代流程求解得到给定工况下的界面压力分布和摩擦学性能。因此，在本发明中，推力瓦的膜厚修正不再依赖预定的修正公式，而取决于由每一迭代步的具体压力分布，具有自算法自适应性以及良好收敛性的优势。
鉴于本发明涉及的一体式轴承变形具有耦合特性，特采用影响系数法进行变形模拟，其表达式如下：
Figure GDA0003055799910000131
式中δSE，δJE，δPE和δTE为轴颈、径向轴承、推力瓦以及推力盘弹性变形，而GSE,GJE,GPE和GTE为与上述变形对应的影响系数。本发明中，变形影响系数定义为在节点(θξ,yη)或(θξ,rη)处作用单位力在(θj,yk)或(θj,rk)节点处产生的变形量。
(2)一体轴承自适应混合润滑分析方案
径向推力一体式水润滑轴承混合润滑数值模拟是一个涉及多重判敛的循环迭代过程，而接触界面水膜压力、弹塑性接触压力、自适应变形以及公共边界处的连续性条件之间相互耦合极大地增加了模型分析的复杂度和难度。
在提出的分析方案中，首先输入初始参数包括径向轴承偏心率、偏位角以及推力轴承初始膜厚等，然后通过有限差分、控制体积、有限元或变分法等数值计算方法迭代求解得到节点水膜压力值。进而采用Kogut-Etsion粗糙峰接触模型求解接触压力，并判断流体压力和接触压力是否达到收敛条件。当流体压力以及接触压力达到收敛性条件，采用影响系数法计算径向轴承、推力轴承、轴颈以及推力盘表面的变形。为了增强数值计算收敛性、稳定性以及鲁棒性，在每一次变形迭代中采用低松弛修正技术。此外，为了使径向轴承处于稳态运行工况，在分析过程中对偏位角进行实时修正，直到满足偏位角的收敛精度。
可以预见，由于提出的混合润滑分析方案考虑了径向轴承与推力轴承在公共边界处的流量以及动压连续性条件，可用于揭示径向轴承与推力轴承在运行过程中的耦合润滑机制。
本实施例以及本申请文件所涉及的主要参数如下表所示：
Figure GDA0003055799910000141

Claims (3)

1.一种径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，
所述径向推力一体式水润滑轴承，包括筒状的轴壳，在所述轴壳的内壁固定粘接有径向承载橡胶合金衬，所述轴壳的一端延展形成有法兰盘，其特征在于：所述橡胶合金衬采用BTG橡胶材料，在所述法兰盘上固定有周向均布的多个推力瓦，相邻推力瓦之间留有间距，每一所述推力瓦均包括弹性层、金属层和耐磨层，所述弹性层采用橡胶材料、并粘接固定在法兰盘上，所述金属层粘接固定在弹性层上，在金属层上设有朝向弹性层一侧的凸筋，所述凸筋沿法兰盘的径向布置，所述耐磨层采用BTG橡胶材料、并粘接固定在金属层上；
所述自适应混合润滑分析方法，包括以下步骤：
步骤一：根据初始参数，包括径向轴承偏心率、偏位角以及推力轴承初始膜厚，求解节点水膜压力值；
步骤二：采用Kogut-Etsion粗糙峰接触模型求解接触压力，并判断流体压力和接触压力是否达到收敛条件；
步骤三：如果流体压力、接触压力和偏位角均达到收敛性条件，采用影响系数法计算径向轴承、推力轴承、轴颈以及推力盘表面的变形；否则返回步骤一变形迭代。
2.根据权利要求1所述的径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，其特征在于：在步骤三中，当流体压力和接触压力均满足收敛性条件，而偏位角未达到收敛性条件时，对偏位角进行修正调整再返回步骤一变形迭代。
3.根据权利要求1或2所述的径向推力一体式水润滑轴承的自适应混合润滑分析方法，其特征在于：在每一次变形迭代中采用低松弛修正技术。
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