错位浮环轴承和螺线浮环轴承流体动力特性的比较

　　现代机械工业的主要发展方向是大型化、轻型化和高速化。旋转机械速度的提高对于机械系统的动力学特性提出了越来越高的要求。而机械系统对于作为支承元件的轴承的特性非常敏感。普通滑动轴承的振动噪声、摩擦磨损及失稳等现象,常常会导致整个机械系统的破坏,造成重大的经济损失。特别是当轴承工作表面线速度很高、雷诺数超过临界值时,油膜流动即由层流转变为湍流,使轴承摩擦功耗急剧增加,动静特性有较大改变,对系统产生不良影响。因此,滑动轴承的这些特点常常成为限制机械转速提高的主要因素。为了提高轴承的稳定性,人们广泛采用浮环轴承或者通过改变轴承的边界形状来改善轴承的动力特性。

　　本文正是基于上述思想,采用简捷有效的边界元法[1-4]对错位浮环轴承和螺线浮环轴承的流体动力特性进行分析,研究错位浮环轴承和螺线浮环轴承各表面的压力随偏心率变化的规律,同时研究了润滑剂流场随偏心率变化的规律。

　　1　边界积分方程

　　设错位浮环轴承和螺线浮环轴承中润滑剂为粘性不可压流体,其流动区域为Ω,其边界为Γ。其中Γv∪Γt=Γ,Γv为对应已知速度VS的边界,Γt为对应已知应力TS的边界,n为边界Γ的单位法向量。T(V)为对应于速度V的应力张量。

　　利用Stokes方程的基本解,把润滑剂在流动区域内满足的控制方程化为边界积分方程

　　式中:vk(k=1,2)表示速度;p为压力;ni为边界面外法向余弦;Wk和qk为Stokes方程的基本解;Tij(V)为V所对应的应力张量;T′ij(Wk)为Wk所对应的应力张量;Re为雷诺数。

　　当X∈Ω时,C(X) =1;当X∈Γ时,C(X) =1/2。基本解和应力张量的表达式为

　　2　数值方法

　　将边界Γ剖分为N个小单元,第β个单元为Γβ(β=1,2,…,N),取常单元,变量值定义在形心上,于是积分的离散形式为

　　式中:Lijkαβ,Mjkαβ,Rjαβ,Sijαβ为积分系数; i, j,k=1,2;β为边界面上第β个单元;α为边界或内点的第α个点。

　　3　结果分析

　　在本文的计算过程中,轴颈速度、浮环速度和内摩擦力均为无量纲形式。对偏心率e=0、0.015、0.030、0.045、0.060及0.075等各种情形下错位浮环轴承和螺线浮环轴承中轴承表面的压力随偏心率变化的规律进行了研究,同时给出各种偏心率下的流场并对摩擦损耗进行了分析。

　　图1是错位浮环轴承上的压力随角度θ的变化规律;图2是螺线浮环轴承上的压力随角度的变化规律。比较图1和图2可以看出,θ∈[0,π]时,错位浮环轴承和螺线浮环轴承压力的变化趋势相似;但当θ∈[π,2π]时,错位浮环轴承和螺线浮环轴承压力的变化趋势有所不同。另外,当偏心率逐渐增大时,错位浮环轴承的压力变化比螺线浮环轴承的压力变化幅度小,说明错位浮环轴承比螺线浮环轴承更稳定。