表面粗糙度对动压轴承特性参数影响分析

2020-12-25张绍林陈荣尚张泽斌

机械设计与制造 2020年12期

张绍林，陈荣尚，张泽斌，郭红

（郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001）

1 引言

随着机械装备向高精度、极端化、复合化方向发展，对滑动轴承润滑性能要求也不断提高。传统润滑性能分析多数是将轴颈和轴瓦视为光滑表面进行的，实践中任何加工方法获得的零件表面都不是绝对光滑，不同的加工工艺造成被加工表面不同的粗糙度值，且在磨合过程中，粗糙表面形貌也会因磨损而发生渐变[1]。

学者经研究发现轴颈和轴瓦表面粗糙度值对滑动轴承油膜润滑特性具有很大影响[2-3]。文献[4]随机模型的基础上，对有限长径向轴承的两种粗糙型Reynolds 方程进行求解，得到了一系列相应的静特性参数值[5]。文献[6-7]在不同长径比下分析了高斯和非高斯分布两种粗糙表面，发现粗糙度值越小对承载力的影响越小。

以动压轴承为研究对象，采用高斯分布拟合实际表面粗糙度分布，计算分析滑动轴承油膜静、动态特性随粗糙度值变化规律，并通过油膜厚度判断滑动轴承运转时摩擦状态，从而避免轴颈与轴瓦接触磨损，保证动压轴承处于良好的润滑状态。

2 径向滑动轴承数学模型

2.1 数学模型

假设润滑油为牛顿液体，轴颈与轴瓦轴线始终平行。其定常工况下无量纲静态Reynolds 方程为[8]：

计入表面粗糙度时可以将油膜厚度分为两部分之和：

根据加工方式的不同，轴承表面粗糙度会呈现出一定的方向性，用γ 表示。若γ>1，表示与润滑油流动方向一致，称为纵向；若γ<1，表示与润滑油流动方向垂直，称为横向；若γ=1，表示各向同性[9]。以只考虑纵向粗糙度分布为算例，其轴承表面细观示意图[6]，如图1所示。

图1 纵向粗糙度示意图Fig.1 Longitudinal Roughness Diagram

E（·）为求期望符号，可定义为：

式中：f（x2）表征随机变量x2的概率密度分布。

进而得到纵向粗糙型Reynolds 方程的无量纲形式为：

边界条件：

2.2 表面粗糙度分析

在机械加工的平面上选取一段评定长度，使用轮廓测量仪测量得到表面粗糙度分布接近于高斯分布，在计算中多采用如下多项式分布替代高斯分布[4]。

式中：c2—粗糙度参数，无量纲化为

高斯分布标准差σ 与多项式分布粗糙度参数c2之间的转化关系式可以通过求多项式方差得到。

σ 与c2的关系式：

在实际生产加工中，多采用表面粗糙度Ra 表征加工表面的质量，而在Reynolds 方程中使用粗糙度参数c2进行分析计算，其转化关系式如下[6]：

式中：φ—圆周方向坐标，从最大油膜厚度处开始的度量角度（rad）；λ1—轴向方向坐标；p—油膜压力（Pa）；H—油膜厚度（mm）；r—轴颈半径（mm）；l—轴承宽度（mm）；c1—半径间隙（mm）；ψ—相对间隙；E（·）—求期望符号；f（x2）—表征随机变量x2的概率密度分布；c2—粗糙度参数（mm）；σ—标准差（mm）；在相应符号上加横线，表示其无量纲值。

3 最小油膜厚度分析

动压轴承在正常工况下工作时，轴颈与轴瓦的工作区域内将形成完整的压力润滑油膜，既能对外载荷起支承作用，又能使摩擦副之间避免微凸体的相互接触，从而减小轴承摩擦阻力和保护轴承表面。在实际使用中会因多种因素影响完整油膜的形成，针对滑动轴承表面形貌探究中，在偏心率大的情况下，轴承最小油膜厚度将会显著减小，当减小到与表面粗糙度幅值同一量级时，轴颈和轴瓦表面最大的微凸峰之间仅由几个分子厚的油膜加以分隔，远小于规定的最小油膜厚度安全限值，将导致油膜破裂，引起边界摩擦或者干摩擦[10]。

确保滑动轴承安全运转是轴承设计的核心目标，可限定最小油膜厚度极限值，以使轴承在流体润滑状态下正常工作。轴承表面所处的摩擦状态可以用膜厚比λ2判断，当λ2≤1 时呈边界摩擦状态；λ2>3 时呈流体摩擦状态；1≤λ2≤3 时呈混合摩擦状态[11]。