机械强制油润滑轴承载荷和润滑状态分析

1、机械强制油润滑轴承载荷和润滑状态分析张毓新 青海省第二地质矿产勘查院摘要：机械强制油润滑轴承在当前工业应用中意义重大，对于因速度过高破坏了层流、膜厚过小而发生咬死，引起润滑失效；对于若速度或载荷随时间变化，流体润滑不仅有楔入效应，而且还有挤压效应。随着计算机技术的发展，计算流体力学的应用得到了快速的发展，计算流体力学以其能准确地模拟复杂的几何模型，被越来越广泛地用于工程领域。本文首先具体分析了机械强制油润滑轴承的基本原理与应用效果，探讨了机械强制油润滑轴承的载荷分布，最后详细进行了机械强制油润滑轴承的润滑状态分析。关键词：载荷；润滑状态；轴承；机械强制油润滑轴承是一种应用广泛的机械支承，它的性

2、能直接影响转子系统的动力特性，改善轴承的速度和动力学性能,是实现转子系统高速的技术关键【1】。同时轴系是动力装置的重要组成部分，为保证轴系长期安全地正常运行，除应保证轴系具有足够的强度和刚度外，还要保证轴系处于合理的运动状态【2】。我们知道，在轴系的运转过程中，轴承与转子之间会产生油膜，轴心的位置会发生变化，所以轴承反力的数值将不同于静止时的轴承反力，同时,轴是由多个不同轴承共同支撑，单个轴承转子与轴承之间的液膜的相互作用也会影响到相邻轴承与轴颈的相对位置【3】。随着工业技术的发展，很多机械设备主轴轴承的发展趋势是高速、高温、耐腐蚀，且要求高速时在容许的温升下长期保持热稳定和精度稳定，以求达到

3、长寿命和高可靠性等要求【4】。为此，本文具体探讨了机械强制油润滑轴承载荷和润滑状态，分析如下。1 机械强制油润滑轴承的基本原理与应用效果按结构和承载的不同，滚动轴承可分为向心轴承、向心推力轴承、推力向心轴承和推力轴承等。在机械设备中，滚动轴承必须有较高的可靠性，要求有较大的适用温度，且在此工况下有较长的使用寿命；滚动轴承必须具有一定的径向或同时径向和轴向或轴向的承载能力，同时轴承必须具有足够的刚度以保证轴到轴承座之间的平稳传力【5】。1.1 油膜润滑基本原理如果正常运转时，轴颈和轴瓦被一层油膜完全隔开，并在油膜中产生流体动压力，借以平衡外载荷。流体动压润滑是依靠被润滑的一对固体摩擦表面间的相对

4、运动，使介于固体间的润滑流体膜内产生压力，以承受外载荷而免除固体摩擦副表面相互接触，从而起到减少摩擦阻力和保护固体摩擦副表面的作用【6】。油膜润滑的工作原理图，如图1-1所示。在外载荷F的作用下，轴颈中心相对于轴承中心在一偏心位置上，偏心距为e，偏位角为。在轴承中心和轴颈中心连心线的延长线上，一端有最大间隙hmax，另一端有最小间隙hmin。其中c为半径间隙，R为轴承孔半径。r为轴颈半径。顺着轴颈旋转方向，由hmax到hmin的半圈内，间隙是由大变小的收敛楔形，这就是润滑油膜能产生压力以承受载荷F的主要几何条件。在由hmin到hmax的半圈内，则为由小变大的开阔楔形，其作用正好相反，因此，润滑

5、油膜中压力分布在hmin以后急剧下降。图1-1：径向轴承与止推轴承的工作原理图1.2 机械强制油润滑轴承的应用效果油膜厚度的大小是滑动轴承的要害所在，为确保轴承在液体润滑条件下安全运转，轴承边缘处的油膜厚度应不低于最小安全值，其中轴承在三个不同转速下的安全值如表1-1所示：表1-1：轴承不同转速下最小油膜厚度安全值转速低速中速高速最小油膜厚度安全值(m)121314通过分析，在固定载荷下，转速越高最小油膜厚度越大；随着转速的增加，粘性力增大，轴承平均温度升高；转速不变，油流量增加，轴承平均温度降低。2 机械强制油润滑轴承的载荷分布作用于轴承的载荷是通过滚动体由一个套圈传递到另一个套圈，滚动轴承

6、的载荷分布就是指将确定外载荷作用时轴承内部各滚动体所受载荷，通常轴承内各滚动体所受的载荷是不同的【7】。载荷分布主要研究的就是轴承的承载情况和变形情况，承载和变形的大小，直接影响着滚动体与套圈之间的接触应力、润滑状态等，即决定轴承的实用性能和寿命【8】。因此，滚动轴承中的载荷分布分析是研究滚动轴承的力学基础。2.1 低速时滚动轴承的载荷分布轴承在低速或静止时，计算和分析可以不计计及离心力和陀螺力矩的影响。球与内外套圈的接触角相等，并随轴向载荷的增加而增大。其中接触角的大小直接影响轴承性能，同时载荷的变化又将引起接触角的变化。因此接触角是滚动轴承设计和使用的重要参数之一【9】。图2-1表示了低速

7、或者静止时，轴承接触角随轴向载荷下的变化规律。随着轴向载荷的增加，轴承的接触角增大；原始接触角越大，轴承越难变形，接触角越难改变；对同一接触角而言，接触角随载荷的增加初始变化较大，之后趋于平缓。图2-1：变形位移随外加载荷的变化规律2.2 高速时的载荷分布很多机械设备主轴轴承工作转速往往相对较高，其载荷分布将有别于低速轴承，且随着转速的升高，轴承内外圈的载荷也随着改变，计算和分析时必须考虑球的离心力和陀螺力矩的影响。图2-2表示了高速滚动轴承旋转时的几何关系示意图。其中，x，y，z为固定坐标系，x 轴与轴承的轴线重合； x，y，z是以滚珠中心o 为原点的相对坐标系，该坐标系以滚珠的公转角速度b

8、 绕x 轴旋转，x 轴与x 轴平行，z 轴指向轴承的外部；u，v，w是以滚珠中心o 为原点的局部坐标系，ou 为滚珠的自转轴线。图2-2：滚珠绕轴旋转时的几何关系根据推理与计算，并以某型主轴轴承为例，计算了计及离心力下某受载情况下的变形位移。计及离心力时，滚子与外滚道接触的变形位移比与内滚道接触的变形位移大，由数据也可以看出，滚子与滚道接触的变形量都是比较微小的。3 机械强制油润滑轴承的润滑状态分析 润滑技术主要包括润滑剂和润滑方法，目的是在轴承的接触面形成润滑膜，防止磨损，提高轴承性能。润滑剂除了形成润滑膜之外还能带走轴承热量，去除接触表面上的磨粒。润滑方法是轴承形成润滑膜的手段，依轴承的工

9、况和润滑剂种类而定【10】。3.1 油浴润滑油浴润滑是将轴承部分侵入油池中进行润滑。油位的高低直接影响轴承的能耗及温升，一般油位高度为轴承最下部滚动体的中心线【11】。DN5105 mmr/min时，油池温升将明显上升。油浴润滑有的更新周期可由油品的理化性能变化决定，同时可由图3-1根据油池的容量及轴承大小来决定。图3-1：循环给油润滑循环给油润滑是一种对轴承部位进行积极润滑的一种形式，在使用循环给油润滑时，轴承可以得到充分润滑及冷却，同时轴承的DN值可达到2106 mmr/min。3.2 喷油润滑当DN2106 mmr/min时，润滑油需要起到冷却兼润滑的作用，此时采用喷油润滑比较合适。3.

10、3 油雾润滑喷油润滑虽有良好的润滑作用，但是存在润滑油量过量的问题。近年来高速运行的轴承趋向采用微量润滑，其中油雾润滑就是一种很好的微量润滑方式。其原理是润滑油随着压缩空气（压力一般0.5MPa）一起吹进轴承内部，被雾化的油（油雾粒度约为0.005）在轴承表面再次凝结形成油膜，起到润滑作用。油雾润滑主要用于转速在5104 r/min 的高速轴承或DN 值在6105 mmr/min 以上的轴承进行有效润滑。3.4 油气润滑油气润滑是近年来出现的一种新兴的润滑技术，与传统的润滑技术相比，具有很多突出的优点。目前关于油气润滑项技术的研究较少，如供油量对润滑方式的影响及供油量的确定等，尚未有人进行研究

11、，大都是参照稀油润滑或油雾润滑和凭经验加以确定。4 结束语 当前机械轴承的发展趋势是高速、高温、耐腐蚀，要达到长寿命和高可靠性等要求。我们希望本文的分析能够对轴承材料的制备与发展提供参考。参考文献：1 闻欣荣，孔建益.径向轴承考虑压粘效应的雷诺方程式及短轴承的近似解J.润滑与密封，2003(2)：12-14.2 蒋立群，俞炳丰.推力轴承热稳定性非线性分析及周期稳态解的全局特性研究J.摩擦学学报，2012，22(5)：395-398.3 郑水英，刘淑莲，汪希萱.油膜失稳故障的非线性特征分析J.流体机械，2003(31)：28-31.4 吕延军，虞烈，刘恒.流体动压滑动轴承-转子系统非线性动力特性

12、及稳定性J.摩擦学学报，2005(25)：61-66.5 吕延军，虞烈，刘恒.基于Reynolds 边界的滑动轴承动力学系数的计算及应用J.摩擦学学报，2004(24)：61-65.6 李贵三，毛靓华.滑动轴承油膜非线性动态特性分析方法的探讨J.风机技术，2004(6)：54-56.7 杨金福.滑动轴承非线性动态油膜力及稳定性的研究J.动力工程，2004(24)：501-504.8 吴刚，李涛生，严新平.滑动径向轴承轴心轨迹的可视化及其应用J.机械科学与技术，2004(23)：117-119.9 Richard F，Ralph P，Gary C.CFD analyses of complex flowsJ.Compute