径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙协调法

第56卷第2期2014年4月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0156NO2APR2014径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙协调法吕芳蕊，孙丽军，张丽君，官永胜，钟海权，袁小阳1西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，西安710049；2东方电气集团东方电机有限公司，德阳618000摘要以重载油轴承和水润滑轴承为背景研究瓦面变形的区域性和润滑计算方法，对变形区用双间隙函数来表征，相应变形和润滑算法与无变形函数假设下的结果基本一致。针对热粘弹算法复杂、工程应用困难的问题，提出并构造了一种计人瓦块变形的轴承双间隙表征方法，该方法依据瓦体变形大小将轴承间隙划分为变形区和非变形区的两段圆弧，并以最小膜厚为等效目标构造轴承的等效双间隙，进而达到运用经典润滑理论及成熟计算方法解决重载轴承瓦体变形与润滑的耦合设计问题的目的。以某大型直径800MM重载135T轴承为案例进行多方法计算结果对比分析，表明双问隙协调法较一般流体润滑模型最小油膜厚度和最大油膜压力的计算精度大为提高。由于双间隙方法有效建立了瓦体变形一间隙一膜厚的映射关系，进一步探讨了通过控制瓦体变形来控制轴承间隙和膜厚的问题，为重载轴承、水润滑轴承优化设计和承载能力提升提供了新的思路。关键词双间隙；变形控制；耦合设计；滑动轴承分类号TK113文献标识码A文章编号10015884201402008404DOUBLECLEARANCECOORDINATINGMETHODINDEFORMATIONANDLUBRICATIONCOUPLINGDESIGNOFJOURNALBEARINGLVFANGI1LI，SUNLIJUN，ZHANGLIJUN，GUANYONGSHENG，ZHONGHAIQUAN，YUANXIAOYANG1KEYLABORATORYOFEDUCATIONMINISTRYFORMODEMDESIGNANDROTORBEATINGSYSTEM，XIANJIAOTONGUNIVERSITY，XIAN710049，CHINA；2DONGFANGELECTRICMACHINERYCOMPANYLIMITED，DEYANG618000，CHINAABSTRACTTAKINGBURDENOILLUBRICATIONBEARINGANDWATERLUBRICATEDBEARINGFORBACKGROUND，THISPAPERRESEARCHESBUSHINGSURFACEDEFORMATIONREGIONALITYANDITSLUBRICATIONCALCULATIONMETHODTHEDEFORMATIONZONEISCHARACTERIZEDBYDOUBLECLEARANCEFUNCTION，RESULTSOFTHECORRESPONDINGDEFORMATIONANDLUBRICATIONALGORITHMSAREBASICALLYIDENTICALWITHTHERESULTOFNODISTORTIONFUNCTIONSASSUMPTIONAIMEDATTHEPROBLEMTHATTHERMOVISCOELASTICITYALGORITHMISCOMPLEXANDENGINEERINGAPPLICATIONISDIFFICULT，AKINDOFDOUBLECLEARANCECHARACTERIZATIONMETHODCONSIDERINGDEFORMATIONWASPROPOSEDINTHISPAPERBASEDONTHISMETHOD，BEARINGCLEARANCEWASDIVIDEDINTOTWOARCPIECESWHICHREPRESENTEDFORDEFORMATIONAREAANDNONDEFORMATIONAREAACCORDINGTOTHESIZEOFDEFORMATIONFORTHETARGETOFEQUIVALENTMINIMUMFILMTHICKNESS，THEEQUIVALENTDOUBLECLEARANCEWASCONSTRUCTED，SOASTOSUPPORTTHEDEFORMATIONANDLUBRICATIONCOUPLINGDESIGNOFBURDENBEARINGUSINGTHECLASSICALLUBRICATIONTHEORYANDITSMATURECALCULATINGMETHODASANEXAMPLE，SOMELARGE800MMBURDEN135TBEARINGWASCALCULATEDBYSEVERALMETHODSTHERESULTSSHOWTHATDOUBLECLEARANCECHARACTERIZATIONMETHODCANIMPROVETHECOMPUTATIONALACCURACYOFMINIMUMFILMTHICKNESSANDTHELARGESTFILMSTRESSSIGNIFICANTLYTHEDOUBLECLEARANCEMETHODEFFECTIVELYESTABLISHESTHEMAPPINGRELATIONSHIPSAMONGTHEDEFORMATION，CLEARANCE，ANDFILMTHICKNESS，THEREFORETHEPOSSIBILITYOFCONTROLLINGCLEARANCEANDFILMTHICKNESSOFTHEBEARINGBYCONTROLLINGTHEDEFORMATIONWASFURTHERDISCUSSEDTHISWILLGIVEANEWTHOUGHTFOROPTIMIZATIONDESIGNANDCARRYINGCAPACITYIMPROVEMENTOFBURDENBEARINGSANDWATERLUBRICATEDBEATINGSKEYWORDSDOUBLECLEARANCE；DEFORMATIONCONTROLLING；COUPLINGDESIGN；JOURNALBEARING出设计许用范围，由于重载效应引起的瓦体弹性变形使得O前言轴承服役过程中的瓦面型线非标准圆与设计型线标准圆存在很大差异，由此引起的轴承间隙等敏感参数变化会近年来径向滑动轴承向大型、重载方向发展，轧机、核电给轴承润滑性能承载能力、最小膜厚等带来很大影响，所采用的大型径向滑动轴承其比压及最大油膜压力已远超轴承尺寸和载荷越大该影响越大。作者曾对某包角150。的收稿日期20130331基金项目国家973重点基础研究发展计划子课题NO2009CB7243042；国家科技重大专项子课题2010ZX060040130408。作者简介吕芳蕊1988，女，硕士研究生，目前主要从事转子动力学、润滑理论方面的研究。第2期吕芳蕊等径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙协调法85大型轴承在不同比压下轴承的压力分布进行研究，图1给出了不同比压下承载瓦中分面处压力分布，结果显示，随着比压的增加，轴承压力极值显著增加，当比压为44MPA时，油膜最高压力达到169MPA，造成轴瓦的弹性变形量明显增加。进而导致一般的流体动力润滑模型难以满足重载轴承性能仿真要求。卣萎旧拿瓦，三18MPA，44MPA020406080100120140160180周向角度，。图1不同比压下承载瓦中分面处压力分布和一般流体动力润滑模型相比，弹流润滑模型考虑了瓦块的弹性变形效应，是重载轴承研究的较理想手段。弹流润滑理论下轴承性能求解复杂，常用的简化处理方法有1引入WINKLER假定的弹性位移方程；2引入BOUSSINESQ解的弹性位移方程；3复杂轴承结构的弹性位移方程。前两种计算方法都是把轴承结构简化为梁、板或弹性半无限空间，第三种方法的基本做法是以有限元法获得离散的弹性位移，使用计算机来求数值解，然后再与REYNOLDS方程联立进行迭代。虽然均属于简化算法的范畴，但计算流程仍较为繁琐、复杂，离简便、高效的工程设计需求还有差距。因此，研究一种既考虑轴承变形效应又不失计算简便的重载轴承性能仿真方法很有必要。本文在探讨弹流润滑理论和经典润滑理论中轴承膜厚方程区别的基础上，提出并构造了一种计入瓦体变形的轴承双间隙表征方法，以达到运用经典润滑理论及其成熟计算方法解决重载轴承瓦体变形与润滑耦合设计问题的目的，同时，文中基于变形一间隙一膜厚之间的映射关系探讨了通过控制瓦体变形来控制轴承间隙和膜厚的问题。以某核电机组大型、重载轴承为对象，参照弹流润滑理论中的第三种方法，通过有限元分析软件ANSYS和较成熟的一般流体动力润滑模型两者的迭代，计算了计人瓦体变形的轴承性能。以最小膜厚等效为计算目标，运用本文提出的双间隙协调方法，确定了协调双间隙并研究了其计算精度。1计人变形的轴承间隙定义及表征11两种模型中膜厚方程的特点分析一般流体动力润滑模型和弹流润滑模型是轴承性能计算的两种常用模型。后者的膜厚方程H，Z可写为，ZHIAH，8H，Z1其中，HMI是刚性假设下的最小膜厚；AH，是刚性假设下表丽符点油膜厚度与H；的差值，仅与几何因素有关；J是一个受压力分布影响的位移函数。于轻载轴承，润滑表面之间的载荷和压力不大，由弹性位移导致的间隙函数的增量8H，H2故可以忽略弹性变形的影响。同时经典润滑理论中不计轴承间隙沿轴向的变化，此时轴承如图2膜厚计算公式为HHAHC16C083式中，H为油膜厚度；C为半径间隙CRR；为偏心率SEC；E为轴承偏心距；为由最大间隙处沿转动方向计量的角度。可见经典润滑理论中轴承间隙C是求解膜厚分布的关键量。对比上述两种一模型中的膜厚方程可见，弹流润滑理论相比于经典润滑理论更接近于轴承实际运行工况。但目前的弹流润滑理论I图2圆轴承膜厚分布示意图计算方法也是建立在一些假设之上，且计算方法较为繁琐、复杂，至今仍没得到广泛应用。而经典润滑理论不计轴承变形对轴承性能的影响，轴承瓦面型线为理想圆，轴承膜厚仅与结构因素有关，C是其中的关键变量。因此考虑到计算精度和效率，若运用经典润滑理论的求解方法，来近似计算得到轴承实际运行下的性能，需要选择合理的轴承间隙C称之为等效间隙C。本文拟通过轴承间隙C的合理选择和确定，利用较成熟的经典润滑理论方法获得弹流润滑理论下的轴承性能解。由此，提出了一种径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙协调法，该方法依据变形量的大小将轴承间隙用分别代表变形区和非变形区的两个等效间隙来代替，即变形区间隙C。和非变形区间隙C12协调双间隙及其表征方法在讨论计入瓦体变形的双间隙定义及其计算方法之前，首先讨论双间隙方法的特例，即等效单间隙方法。1等效单间隙法等效单间隙是指对于变形下的非圆弧瓦面，找到一个等效间隙，使按照等效间隙计算得到的最小油膜厚度等性能与实际变形下的性能尽可能相同，称这个间隙为等效单间隙。在数学上用来近似任意轮廓曲线的最大内切圆、最小外接圆如图3曲线所示可以用来高效地确定等效半径，进而确定等效单间隙C。运用等效单间隙法进行膜厚计算的公式为HHAHC16COS4但是，径向滑动轴承在实际运行时，由于轴承上的载荷基本由下瓦承担，轴承的变形沿周向不均匀，因此采用单间隙法等效并不能很好地代替瓦体的实际变形。2协调双间隙的概念及表征方法运用双间隙协调一般变形和特殊变形的方法的基本思想是对目前经典润滑理论中处理成一段圆弧的，依据变形的8642086420152汽轮机技术第56卷3结论随着国家节能减排政策的实施、国网公司加大跨区跨省电力电量交易力度实现更大范围的资源优化配置以及风电等绿色能源容量和供热机组所占火电机组的比重的增加，以热定电工作就越彰显其迫切性和重要性。根据对汽轮机能量平衡分析，提出了能量平衡法建立以热定电数学模型，并对其理论和算法进行了全面的分析研究，丰富和发展了以热定电的理论和方法。能量平衡法具有物理意义清晰、推导过程严谨、模型简捷实用、计算结果准确、适用范围广等特点，可以准确计算出机组在给定的采暖抽汽流量和工业抽汽流量情况下最大可增出力和可减出力。参考文献华敏，沈林成，龚云贵，等一种分析热力系统热经济性的新方法凝汽系数法J汽轮机技术，2010，526421423于淑梅，李金磊汽轮机组不同运行方式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