基本原理

基本方程

基本方程

轴承的流体动压润滑微分方程(如图所示)为

                (1)

式中   η为润滑流体动力粘度,ρ为流体的密度,h为任意点油膜厚度

通常在液体润滑情况下可假定流体密度不变,为了定性分析,求出解析解,从而将上式进行简化。在稳定工况下,当轴瓦固定而轴运动时的速度为υ时,方程(1)可简化为:

按无限宽假设得

径向轴承按无限窄假设得

式(2)和式(3)的解分别见表无限宽径向轴承性能计算和表无限窄径向轴承性能计算。运用现代数值计算技术可求得式(1)的较为准确的数值解

求解式(1)、式(2)或式(3),可得轴承内的流体压力分布p

结构简图

结构简图

静特性计算

静特性计算

(1)承载能力

径向轴承(图结构简图)承载力有两个分量,其中

式中  r为轴颈半径;z为轴向坐标;Φa、Φb分别为轴瓦的起始及终止处的角度;B为轴承的宽度

总承载力

推力轴承

式中    N为推力轴承的瓦块数;rin、rout分别是推力瓦块的内半径和外半径;Φa、Φb分别是推力瓦块的起始终止处的角度。轴承的承载能力常采用无量纲轴承特性数Cp来表示,即径向轴承

式中    ψ为轴承的间隙比,即ψ=c/r;c为轴承的半径间隙;r为轴径半径;ω为轴颈的转速;pm为轴承上的平均压强,pm=F/BD;D为轴承直径

推力轴承

式中   hz为支点处的润滑膜厚度;B为轴瓦宽度即B=rout-rin

(2)摩擦阻力和功耗

1)摩擦阻力

径向轴承轴颈上的摩擦阻力

取摩擦阻力的相对单位为,及摩擦因数,则摩擦特性系数为

Cμ=μ/ψ或Fμ=CμFψ                  (8)

Cμ可分为承载区摩擦特性数Cp和非承载区摩擦特性数Ct两部分,即

Cμ=Cp+Ct                     (9)

推力轴承推力盘上的摩擦力矩

2)功耗

径向轴承

N=Fμrω/1000                     (11)

推力轴承

N=Mtω/1000                          (12)

(3)流量

进入轴承的总流量

Q=Q1+Q2+Q3=2(kQ1+kQ2+kQ3)ψr2ωB                         (13)

式中    Q1—— 承载区端泄流量;

Q2—— 非承载区端泄流量;

Q3—— 轴瓦供油槽两端由供油压力产生的附加流量;

kQ1、kQ2、kQ3—— 相应的流量系数

对于径向轴承,kQ1的值参见图kQ端泄流量系数kQ1值

式中   ps为供油压强;D为轴承直径;b为周向油膜槽宽,见图供油槽结构;系数ζ可由图系数ζ和θ值查出

在轴瓦水平对称布置两个供油槽(图供油槽结构)时

系数θ值由图系数ζ和θ值

在轴瓦只有一个供油槽时

h=c(1+εcosθx)

式中    θx是供油槽中线的角坐标,从轴颈与轴承的连心线沿转动方向量起,见图供油槽结构;c为轴承半径间隙c=rψ

(4)温升

设摩擦产生的热量全部由润滑油带走,且进油温度为tin,端泄油的平均温度为tm,则温升

Δt=tm-tin                        (17)

1)压力供油(矿物油)轴承,温升

2)无压力供油轴承,温升

式中    E是与金属传热及润滑油比热有关的系数。轻型结构、传热困难的轴承E=0.0091;中型及一般散热条件下的轴承E=0.0145;强制冷却的重型轴承E=0.0254

kQ端泄流量系数kQ1值

kQ端泄流量系数kQ1值

供油槽结构

供油槽结构

系数ζ和θ值

系数ζ和θ值

动特性计算

动特性计算

油膜刚度

油膜阻尼

如取为油膜刚度的相对单位,为油膜阻尼的相对单位,c为轴承的半径间隙,cω为υx、υy的相对单位,则可得到相应的无量纲油膜刚度及阻尼,即Kxx、Kxy、Kyx、Kyy、Cxx、Cxy、Cyx、Cyy

以上性能计算公式均是指单瓦,如轴承为多瓦则相应轴承的性能为诸瓦之和

图圆轴承(B/D=0.8)的Cp-K曲线和图圆轴承(B/D=0.8)的Cp-C曲线给出了长径比B/D=0.8时圆轴承的无量纲刚度及阻尼Kxx、Kxy、Kyx、Kyy和Cxx、Cxy、Cyx、Cyy

圆轴承(B/D=0.8)的Cp-K曲线

圆轴承(B/D=0.8)的Cp-K曲线

圆轴承(B/D=0.8)的Cp-C曲线

圆轴承(B/D=0.8)的Cp-C曲线

稳定性计算

稳定性计算

支承在动压滑动轴承上的转子,其工作角度ω应低于失稳角速度,否则就会发生轴承油膜失稳或油膜振荡

失稳角速度有两种计算方法,一是在各种角速度下,算出动特性,判断是否稳定,再计算由稳定到不稳定转变处的角速度,即失稳角速度。这种计算方法,可计入角速度改变时温度、粘度和ε的改变,在定量的意义上比较合理,但计算工作量大。通常用的是另一种较为简化的计算方法,此法的理论基础是:界限状态下运动方程的特征值实部必为零(即特征值必为纯虚数)。这种方法的优点是简单易行,可用以判断稳与不稳以及大致地看到稳与不稳的程度

轴承的无量纲油膜的综合刚度Keq为:

轴颈的涡动比平方

Keq<0,则系统不稳定,需重新设计;Keq>0,,则系统稳定;Keq>0,,则按以下方法计算失稳转速

单跨转子系统的对称单质量刚性转子;失稳角速度ωs

单跨转子系统的对称单质量弹性转子,失稳角速度ωs

式中    M为转子总质量M总分配至该轴承上的质量,对于对称转子,;Keq为有量纲油膜综合刚度;(K为转子总刚度分配至该轴承上的刚度)

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