结构参数对增压器浮环轴承润滑特性和环速比的影响

基于以往对增压器的浮环轴承润滑分析中大都忽略浮环的环速比影响,或将润滑性能和环速比独立分析。该文采用数值分析方法研究了增压器浮环轴承的润滑特性和环速比,分析中考虑了转轴、浮环、轴承座之间的传热因素,基于Reynolds方程和浮环平衡方程,建立了浮环轴承润滑模型,对比分析了浮环内、外层间隙,内、外圆半径4个结构参数对浮环轴承润滑特性和环速比的影响。结果表明,实际设计浮环时,需综合考虑结构参数对浮环润滑特性和环速比的影响及影响程度;浮环内层间隙增加,环速比降低,与内层间隙0.02 mm时相比,转速60 000 r/min时,内层间隙0.04 mm时的环速比减幅达23%,内层间隙增加,内、外膜温度减小,摩擦功耗略有增加,内层间隙0.03 mm时,浮环具有较理想的润滑性能和环速比;外层间隙0.06 mm的环速比均比外层间隙0.04 mm的环速比增加30%以上,外层间隙增加,外膜温度减小,且转速越高,外膜温度减幅越大;浮环内圆半径越小,环速比越小,内、外膜温度和摩擦功耗越小,浮环润滑性能越好;浮环外圆半径增加,环速比降低,但内膜温度、外膜温度、总摩擦功耗和总端泄流量变化幅度均在5%以内,外圆半径对浮环润滑性能影响不显著;浮环实际设计时,调整内圆半径比调整外圆半径对改善浮环润滑性能更有效。

浮环轴承环速比的试验研究

在浮环转子轴承系统静、动力学分析中,环速比是影响功耗、温升及转子轴承系统的稳定性和可靠性的重要指标。以水作为润滑介质,在工作转速1 000~10 000 r/min,载荷为45、75 N工况下,实验测量浮环轴承浮环的转速和环速比,并研究浮环转速和环速比随主轴转速的变化趋势。实验结果表明:浮环轴承能有效减小轴颈与轴瓦之间的相对速度,环速比与工作转速之间呈非线性关系;在重载工况下环速比随着主轴转速的升高快速下降,有进一步优化设计的需要,以维持环速比稳定,而在轻载工况下环速比随着主轴转速的升高而上升,说明浮环轴承更适合于高速轻载的场合。

表面织构对浮环轴承环速比影响的实验研究

为提升浮环轴承在高速重载场合下的性能,在浮环轴承内表面制备表面织构,通过试验研究在不同载荷和转速下表面织构对浮环轴承环速比的影响,并与无织构浮环轴承进行比较。结果表明:无织构浮环轴承在载荷增大时环速比随主轴转速的增大而下降,而织构浮环轴承的环速比大于相同工况下的无织构浮环轴承,且环速比不会随载荷的增加而显著下降;织构使得浮环轴承的承载能力显著提升,能使浮环能在低主轴转速时开始启动,因而提升了浮环轴承在高速重载场合工下的工作性能。

系统参数对浮环轴承转速比的动态影响

转速比即环速比和轴颈涡动比是涡轮增压器浮环轴承系统的功耗和稳定性研究的重要指标。基于经典短轴承理论,考虑浮环和轴颈的回转变位角速度,推导出内外层非线性动载油膜力的解析模型。考虑轴系的偏心质量引起的离心力,建立了涡轮增压器浮环轴承系统非线性动力学模型。仿真得到环速比和轴颈涡动比随转速的变化曲线,并分析研究了不同转速下偏心质量、润滑油粘度、浮环结构参数等对环速比和涡动比的动态影响机制,及转速比对系统参数敏感程度的变化规律。为浮环轴承的设计研发和涡轮增压器浮环轴承系统的性能评价提供了重要参考。

浮环轴承稳态热流体动力润滑分析

环速比是影响浮环轴承静动特性的关键运行参数,大量试验数据表明浮环轴承环速比与工作转速的呈强烈的非线性关系,而理论对环速比的预测还存在较大偏差,针对该问题,建立了浮环轴承的稳态热流体动力润滑润滑模型,计算了典型工况下轴承的动静特性参数,研究了等温、导热和绝热情况下环速比、温升、功耗和偏心率等关键参数随转速的变化规律,分析了浮环材料对环速比的影响,探讨了传统环速比解析计算公式的适用范围.研究发现:等温模型在大部分转速范围内均严重高估了环速比,而基于导热模型的计算结果与试验结果吻合良好,随着转速的升高,理论和试验结果均显示环速比先急速上升后逐渐下降,在中高转速下内外膜的黏度差异和热变形是环速比快速下降的两个重要因素,同时,使用高热膨胀系数材料的浮环会导致环速比进一步降低.因此,热效应是浮环轴承设计过程中必须要考虑的因素.

涡轮增压器浮环轴承静特性分析

以某型号涡轮增压器径向浮环轴承为研究对象,建立内外膜的控制方程及边界条件,通过有限元计算得到了两种工作温度下浮环平衡工作参数及内外膜的静特性参数随主轴转速和偏心率的变化关系。结果表明,浮环平衡参数几乎不受温度变化的影响,而内外膜静特性参数随润滑油黏度的改变而显著变化。

计入浮环传热的增压器浮环轴承润滑分析

以增压器浮环轴承为研究对象,基于浮环平衡模型、流体润滑模型和热量分配模型,计算不同工况下内层油膜与外层油膜之间传递的热量,并以此作为润滑分析的条件之一,提出了没有热量传递时外膜偏心率的识别方法,并对浮环轴承润滑性能进行研究,主要分析讨论浮环传热在不同外膜偏心率和不同转速下对浮环轴承润滑性能的影响.结果表明,不同外膜偏心率下,浮环传热的情况有较大差异;存在某一外膜偏心率,内膜-浮环-外膜间没有热量传递;转速越高,浮环传热量越多;浮环传热对环速比的影响较大;计入浮环传热后,浮环轴承内外膜温升、内外膜摩擦功耗、外膜端泄流量有较明显变化.

考虑热效应的涡轮增压器浮环轴承动态特性研究

以流体润滑为基础,考虑热效应对油膜黏度的影响,研究涡轮增压器浮环轴承的动态特性,利用DyRoBesBeperf软件建立涡轮增压器浮环轴承的参数化模型,在环速比一定时分析浮环轴承内外油膜压力的分布,以及偏心率、油膜的刚度、阻尼随转速的变化规律。研究表明:在浮环轴承结构参数及载荷一定的情况下,随转子转速的增加,其偏心率下降,Sommerfeld数和功耗均增大,且内油膜的Sommerfeld数、功耗大于外油膜的Sommerfeld数及功耗,因此内油膜承载力大于外油膜承载力;因偏心率随转速的增大而减小,因此油膜等效刚度和等效阻尼下降。

考虑热效应作用的浮环轴承润滑特性研究

针对高速工况下浮环轴承润滑特性的理论预测和实验结果存在偏差的问题,在充分考虑热效应影响的基础上建立涡轮增压器径向浮环轴承的热流体动力润滑模型。该模型的理论计算结果和试验结果基本一致,验证其正确性。研究浮环内外层油膜间隙、浮环厚度和浮环宽度等浮环结构参数对浮环轴承润滑特性的影响。结果表明:在其他参数一定时,外层油膜间隙变大时,环速比和流量将变大,将带走更多的热量,轴承温升降低;内层油膜间隙变大,环速比将变小,但流量增大,轴承温升下降;浮环厚度变大,环速比将下降,但浮环厚度对内外膜温升几乎没有影响;浮环外接触表面宽度越大,环速比下降,温升将变大。

计入热效应的浮环轴承稳定性研究

以径向浮环轴承为研究对象,建立轴承压力场和温度场耦合的热流体模型。采用有限差分法联立求解Reynolds方程、能量方程、黏度和密度方程,推导出油膜扰动方程,并求解轴承的动态特性系数;分析等温、绝热和热传导3种模型对浮环轴承环速比、临界质量和失稳转速等稳定性参数的影响。结果表明:等温模型中,环速比随主轴转速的增大先上升后逐渐平缓,在绝热和热传导模型中环速比先增大后减小,呈非线性关系,绝热模型相较于热传导模型,环速比有所降低;绝热模型对轴承动态特性系数的影响要高于热传导模型;临界质量稳定区域出现在高偏心工况下,失稳转速稳定区域则出现在低偏心工况下;计入热效应后,轴承临界质量和失稳转速均减小,且绝热模型对轴承临界质量和失稳转速的影响高于热传导模型。