高速重载工况下滑动轴承结构对性能的影响分析 - 广州轴承展

2024广州国际轴承展览会即将于2024年3月在中国进出口商品交易会展馆B区举行。邀您关注今日新资讯：

摘 要：随着经济和科技水平的快速发展，随着机械工业,尤其是高速列车和航空航天工业的发展,满足高速、重载等极端环境下服役要求的轴承技术研发对提高航空发动机的安全性、可靠性及寿命至关重要.此次会议的召开为高温轴承材料的研究与应用发展,以及选材、设计、寿命评估和结构完整性评定等提供了诸多具有重要参考价值的研究成果与技术。

关键词: 滑动轴承；结构类型；结构参数；轴承性能

引 言
随着民用航空发动机技术的飞速发展，低油耗、低污染排放和高安全性已成为大涵道比涡扇发动机竞相追逐的目标。对于传统双轴直驱大涵道比涡扇发动机而言，通常采用增大风扇直径、降低风扇压比和排气速度来提高推进效率。轴承是航空发动机的重要基础性零部件,而高温、高压、疲劳、磨损等复杂、严苛的环境严重影响轴承的使用寿命,提高航空发动机轴承的使用寿命一直是科学研究的热点问题。

1 滑动轴承结构材料

1.1 重载滑动轴承表面涂层

提高轴承使用寿命的常见表面处理工艺有电镀、磁控溅射、粘接自润滑衬垫、镶嵌固体自润滑物等,但电镀污染环境,磁控溅射薄膜生产效率低且靶材利用效率低,由芳纶纤维组成的衬垫不耐高温,镶嵌结构降低轴承结构强度。轴承表面处理亟需一种新的满足绿色和大规模生产要求的材料。

1.2 轧机重载轴承

从宝钢、鞍钢、武钢、本钢等企业收集的信息发现轧机轴承存在使用寿命短、容易出现大面积疲劳剥落等问题;在操作侧,轴承的失效率明显高于驱动侧;90%的轴承从辊体侧的第一排和第二排滚子及其对应的外滚子路径处产生疲劳剥落。通过对轧机微尺度等效轧辊系统进行综合原理和机构在空载和重载下自由度的变化进行分析,束学道教授阐明了轧机轴承、推力轴承和轧机轴向调整螺纹的异常偏心加载机理,为轧机微尺度可控静杆系统的研制和设计提供了科学的方法,同时为有效解决轧机轴承等重大设备事故提供了新思路和新途径。

1.3 电子辐射技术

随着现代技术的发展,具有复杂特性的功能材料日渐重要。鉴于传统的材料制备工艺无法将不同特性的材料进行组合,电子辐射技术填补了该领域的空白。研究者们可以有效地利用铝箔材料和蒸汽相涂层技术来制备多功能材料。另外,传统的融合技术难以获得跨金属连接的化合物,这使得制造如管道连接中由钢铁和钛组成的结构变得很困难。乌斯季诺夫利用扩散焊接方法制备了钛-钢双金属化合物,其可以满足安装连接的要求,且具有高强度和可塑性的优点。

2 轴承有限元模型

2.1 载荷设定

根据研究需要，对模型设置力的载荷与位移载荷条件。其中起始点为坐标原点的较长黄色箭头代表重力载荷的方向，起始点为参考点(ＲP)的较短黄色箭头代表集中力作用方向，根据Adams中对已建立的轴承Pro/E模型进行动力学仿真，提取轴承的载荷数据。其轴承所受径向载荷为1.8×104N，轴承转动速度为90r/min。

2.2 设定边界条件

设置边界条件时，需要限制内圈内表面的轴向的位移，其边界条件均对轴承内圈内表面施加。轴承外圈固定在轴承座上，故对外圈外表面施加固定约束。由于欧拉体所表示的润滑油受到轴承各个零件的限制，难以流出内圈外壁与外圈内壁间的空间，故限制欧拉体在其两个环形侧面的流速为0。

2.3 滑动轴承试验设备

针对所设计的芯棒滑动轴承，对其初步运行性能进行测试，搭建相应的滑动轴承试验机，根据课题项目的任务，开发的试验机主要验证滑动轴承的成膜能力即初步的运行能力及启停的运行能力。被测滑动轴承芯棒固定在试验轴承座上，皮带轮内孔模拟行星轮内孔，芯棒外缘与皮带轮内孔相配合，模拟芯棒与行星轮内孔的配合。皮带轮通过四根SPB窄V带与调速电机相连，由电机驱动，模拟行星轮启停时的转速。通过液压加载系统在皮带轮外表面施加载荷，模拟行星轮启停时受到的等效载荷。液压缸施加的载荷通过试验轴承座上端的法兰盘和导杆传递，载荷通过鱼眼杆端关节轴承分配给两个滚动轴承，利用直线轴承和限位块固定导杆运动方向为竖直方向，保证液压缸施加的载荷作用与滑动轴承中心，由滚动轴承外圆与皮带轮接触实现被测试滑动轴承径向载荷的施加。芯棒内孔与支撑轴设计为紧配合。装配时可从轴承座右侧端盖处整体插入，拆卸时只需拆卸端盖后，将支承轴和芯棒轴承直接抽出即可，可以做到快速拆卸。测控系统:实时监控变化的传感器四个，分别是压力、温度、转速、位移传感器，利用光电转速传感器实时监测转速变化;在出油口布置热电偶温度传感器，测量油温温升。此外在供油站上还有流量计和温度表，由于供油初始条件恒定，可直接读取供油的初始温度和流量信息。

3 载荷及转速变化对润滑性能的影响

3.1 载荷及转速变化对油膜压力的影响
在轴承润滑系统中，载荷及转速的变化将对油膜压力产生影响。随着转速的不断增加，油膜力不断地增大。曲线a转速为90r/min，曲线b、c的转速分别为110r/min、130r/min。曲线a中最大油膜压力为1GPa，压力二次峰值达到0.96GPa;曲线b中最大油膜压力为1.09GPa，压力二次峰值达到1.089GPa;曲线c中最大油膜压力为1.14GPa，压力二次峰值达到1.158GPa。压力分布曲线的形状发生了明显的变化，压力二次峰在转速小的工况下很明显，随着转速的增加，压力二次峰几乎消失，其压力的最大值也不断地向入口区移动。

3.2 载荷及转速变化对油膜厚度的影响

当轴承转速增加时，油膜厚度也随之增加，并且最小油膜厚度的位置由两侧移向中心面上的出口区。当转速由90r/min增加到130r/min时，最小油膜厚度由0.2mm提升到0.65mm。随着载荷的逐渐增加，油膜厚度幅度减小，逐渐变薄。当载荷由1.8×104N增加到2.4×104N时，最小油膜厚度由0.2mm下降到了0.01mm。

结 语

滑动轴承在诸多领域中都有非常重要的应用，无论是航空航天领域，还是日常生活中都能发现滑动轴承的身影。滑动轴承结构参数直接影响着滑动轴承性能，因此在滑动轴承设计时必须考虑其结构参数因素。为此设计滑动轴承试验台，进行模拟工况下的启停试验，通过该实验机，考察了铜合金和类金刚石涂层表面材料试件的启停磨损情况。通过完成同等次数相似工况的启停试验后，观察其表面磨损情况，铜合金表面材质的轴承试件磨痕比类金刚石涂层表面轴承试件多。在启停这种不稳定的状态下，类金刚石涂层试件表现更加优异，但同时也发现，类金刚石涂层磨粒磨损会出现涂层的磨损，需做好润滑油的过滤清洁。

文章来源：百家号

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