借助转子动力学分析比较各类液体动压轴承

Bridget Cunningham 2017年 3月 1日

为了给旋转轴或轴承颈提供足够的支撑,需要选择一个具备合适载荷能力的液体动压轴承设计。如果施加的载荷超过轴承设计的上限,将导致过度磨损和不稳定。“转子动力学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的附加产品,它支持比较不同类型液体动压轴承的承载能力,从而为具体的应用选择最合适的液体动压轴承。

选择合适类型的液体动压轴承

液体动压轴承是一种液压轴承,主要功能是支撑电动机、汽轮机等各种工业应用中的转子。具体用途是支撑重载,以及利用加压流体(例如油或气)来减少滑动摩擦和振动,所以它能够延长转子的使用寿命,保证转子安静平稳地运转,因此得到了广泛应用。在液体动压轴承内,流体增压通过“泵送效应”实现。轴承颈快速抽动,通过轴承颈和轴承之间的间隙的收敛段泵送流体,从而实现泵送效应。

图中的工程师正在维修汽轮机。
汽轮机是液体动压轴承在工业中的应用之一。图像由 Siemens Pressebild 提供,在 CC BY-SA 3.0 许可下使用,通过 Wikimedia Commons 共享。

为了保证液体动压轴承的高效运转,其承载能力必须考虑应用的实际要求。照此看来,工程师应当了解不同类型的液体动压轴承如何对载荷作出反应,并据此选定正确的设计。“转子动力学模块”提供了分析所需的各种特征和功能。

模拟各式液体动压轴承的性能

本文的分析比较了八种不同的液体动压轴承。液体动压轴承可划分为四种类型:

  1. 滑动轴承
  2. 椭圆滑动轴承
  3. 对开轴承
  4. 多油叶轴承

前三种轴承只有一种配置。多油叶轴承则有五种不同的配置,其中包括:

  1. 一个双油叶轴承
  2. 两个三油叶轴承
  3. 两个四油叶轴承

值得注意的是,三油叶轴承和四油叶轴承的配置在与静态载荷的相对方向这一方面存在差异。前一种配置的静态载荷作用在瓦的中心,因此被称作载荷作用在瓦上(load on pad,简称 LOP);后一种配置的载荷作用在两个瓦之间,被称作载荷作用在瓦间(load between pad,简称 LBP)。

在轴颈轴承内,轴承颈以角速度 Ω (rad/s) 旋转。轴承颈是通过这种方式保持静态的:水平方向的流体膜产生的净力为零,这种力同样在垂直方向上抵消了轴承颈的重力 W

示意图显示了各类轴承的配置。
各种轴承配置。从左到右,上面一行是滑动轴承、椭圆滑动轴承、对开轴承和双油叶轴承,下面一行是三油叶 LOP 轴承、三油叶 LBP 轴承、四油叶 LOP 轴承和四油叶 LBP 轴承。

为了执行计算,我们需要引入下列参数:

  • 动力粘度
  • 空化压力的密度
  • 压缩率

下表概述了此仿真中使用的参数值,它们与现实中轴承使用的润滑油的参数值大致相同。

属性
密度 1000 kg/m3
动力粘度 0.072 Pa·s
压缩率 10-7 Pa-1

仿真结果分析

首先,为了了解压力分布,我们看一看各类轴承中的流体膜压力分布。

液膜压力分布的 COMSOL Multiphysics 三维绘图。
滑动轴承、椭圆滑动轴承、对开轴承、双油叶轴承、三油叶 LOP 轴承、三油叶 LBP
轴承、四油叶 LOP 轴承和四油叶 LBP 轴承中的压力分布。

在流体膜内部,压力在收敛段处增大,在相邻的发散段快速下降。为了方便研究三维绘图显示的结果,我们将圆柱体的表面展开为矩形,并绘制了二维图像。下图清晰地表明,轴承的间隙形状对流体膜的压力分布影响甚大。

各类轴承的压力分布二维绘图。view of the pressure profile for various bearing types.
各类轴承的流体膜内的压力分布;x 轴代表圆周方向,y 轴代表轴向。

在下图中,我们比较了不同载荷下轴承颈的偏心率。偏心率越小,对轴承颈越有利。绘图显示,在运行范围内,偏心率最理想的轴承颈是对开轴承和三油叶 LBP 轴承。一旦载荷大于 5000 N,四油叶 LOP 轴承的偏心率最高,四油叶 LBP 的偏心率最低。

绘图比较了相对偏心率与载荷的关系。

接着我们看一看,当轴承承受不同的静态载荷时轴承颈的平衡位置。轴承颈的 y 坐标位置绘制在 x 轴上,z 坐标位置绘制在 y 轴上。由于轴承颈位置与所施加载荷大小的关系已知,所以我们还可以在绘图中看到二者的影响效果。

如果载荷较小,轴承颈的平衡位置倾向于主要沿 y 轴方向移动,且在 z 轴方向有小幅度移动。载荷变大时,轴承颈快速地沿 z 轴负方向移动。超过载荷上限后,轴承颈开始碰触到轴承的底部。这决定了轴承的承载力上限。该曲线有助于我们确定对于给定的轴承颈偏心率,保证轴承安全运转的极限载荷。

图片绘制了不同的轴承颈位置。

最后,我们来分析参考状态(轴承颈与轴承同轴)和平衡状态(轴承颈偏离轴承中心以平衡给定的静态载荷)下的流体厚度分布。在本文中,按照几何参数的定义,所有轴承在参考状态下拥有相同的最小间隙和最大间隙。唯一的例外是滑动轴承,在平衡状态下的间隙是始终不变的,且等于其他轴承的最小和最大间隙的平均值。在载荷状态下,所有轴承的最小间隙大约相等,且方位坐标相同。不过,对于不同的轴承,不同方位坐标对应的最大间隙差别很大。

初始时的流体厚度分布绘图。
平衡状态下的流体厚度分布绘图。

参考状态(左)和平衡状态(右)下的流体厚度分布。

动手操作

您可以访问“案例下载”页面,在线下载 .mph 文件及其附加文档,并亲手操作此教学模型。也可以通过“案例库”直接在产品内访问教学与文档文件。

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