[摘 要] 螺旋槽平面型线的形状会对水润滑螺旋槽推力轴承的润滑性能造成一定的影响。利用流体计算软件对2种常见螺旋槽平面型线的螺旋槽水润滑推力轴承的水膜压力分布及承载能力进行了数值模拟计算比较。计算结果表明:在2种螺旋槽平面型线中,螺旋槽的承载能力最大且具有更稳定的压力分布,更适合水润滑螺旋槽推力轴承;但在一定范围内斜直线槽可以替代螺旋槽。
[关键词]平面型线 水润滑 螺旋槽推力轴承 润滑性能
引言
在高速运转条件下螺旋槽推力轴承具有更高的承载能力和较小的摩擦力等优点[1～2]。可以构成螺旋槽的平面型线种类较多,既可是对数螺旋线、圆弧线、抛物线、斜直线等单一线型,也可以是几种简单型线构成的复合线型。平面型线的不同将导致不同的沟槽的形状,不同的沟槽形状会直接影响推力轴承的润滑性能和承载能力[3～4]。
本文根据流体动压润滑原理,利用流体计算软件对2种螺旋槽型线的水润滑陶瓷螺旋槽推力轴承的水膜压力场分布进行比较研究。
1常用的螺旋槽平面型线
1.1对数螺旋线
对数螺旋线螺旋槽推力轴承结构如图1所示,构成螺旋槽的对数螺旋线数学方程为
斜直线螺旋槽推力轴承结构如图2所示。构成螺旋槽的斜直线方程为[3]
式中-斜直线OB与坐标轴的夹角
-轴承的外径
2数学模型及基本假设
2.1数学模型
水润滑螺旋槽推力轴承的转速一般较高、膜厚较薄,润滑膜中的流体基本处于湍流状态,因此应用湍流数学模型可以更好地模拟其流场。采用RNG 湍流模型对水润滑螺旋槽推力轴承的水膜压力场进行数值模拟计算。
2.2基本假设
基于流体力学基本理论,同时考虑螺旋槽推力轴承本身的结构,对轴承端面间的水膜稳态流场分析时,进行了如下假设:(1)忽略体积力如重力或磁力的影响。(2)连续的完全流体流动。(3)等温等粘条件,忽略液体温度和粘度变化。(4)流体与轴承表面无相对滑移。
3数值模拟计算与比较
3.1数值模拟计算的几何模型及边界条件
本文对数螺旋线、斜直线这2种平面型线构成的螺旋槽水润滑推力轴承进行了数值模拟计算,这2种推力轴承均按泵入型陶瓷螺旋槽推力轴承进行比较,结构尺寸见表1。
由于工作端面上的螺旋槽是以轴承轴线为中心的周向周期性分布,在理论上各个周期性区域的压力场应该是相同的。因此单独取出一个周期性区域作为计算区域进行计算即可。若端面开槽数为Ng,则可以选择整个工作端面的1/Ng份,即一个槽区和与之相连的坝区作为计算区域。
在轴承的内径、外径处采用压力入口边界条件和出口边界条件,压力值均设为0Pa;轴承表面取为壁面条件,采用速度无滑移条件;在计算区域周向边界采用周期性边界条件。
3.2水膜压力场数值计算结果与比较分析
按照给定的边界条件,利用fluent软件进行计算就可以得到轴转速在500～3500r/min工况下的水膜压力场分布云图,因为各转速下的水膜压力场分布规律变化不大,因此图3给出了轴转速为1000r/min时,不同平面型线的水膜压力场分布云图,由压力云图可以明显看出不同的平面型线导致了螺旋槽推力轴承水膜压力场分布的不同,但是压力分布的大体趋势还是具有一定的共同点:水膜压力场峰值均出现螺旋槽的尖角处,水膜压力由此向轴承的内径、外径逐渐递减。在轴承外径附近区域出现了部分负压区,该负压区的存在将有利于吸入轴承外的液体,以保证水膜有充足的水量构成完整的水膜,但是同时此处也会出现一定的气穴现象。另外从水膜的压力分布也可以明显看出由槽区进入台区时台阶对流体造成的升压作用。
通过压力场云图的比较可以发现,螺旋线构成的螺旋槽产生的水膜压力峰值均明显高于斜直线构成的螺旋槽产生的水膜压力峰值。在槽坝交界处沿圆周方向上,由螺旋线构成的螺旋槽水膜压力梯度变化较小,此特点将有利于增强推力轴承的平稳性。
4.结论
(1)由螺旋线构成的水润滑螺旋槽推力轴承具有更稳定的压力分布,更大的承载量。
(2)由斜直线构成的水润滑螺旋槽推力轴承承载能力虽然要比螺旋线构成的低15%,但是由于其加工工艺简单、成本较低,因此斜直线可以在一定范围内替代螺旋线作为构成螺旋槽的平面型线。
参考文献:
[1] Muijderman E A. Spiral Groove Bearing[M]. Philips technical library, Prinnted in the Netherlands,1966.
[2] 侯予,陈纯正,王秉深.平面螺旋槽动压止推气体轴承的设计[J].润滑与密封, 2002,(1):2～4.
[3] 刘宪伟.面向绿色开采的低粘度介质润滑理论及应用研究[D].北京: 中国矿业大学,2008.
[4] 刘宪伟,范迅.螺旋槽平面型线对水润滑螺旋槽推力轴承承载能力的影响[J]. 润滑与密封,2008,33(3):13～16.