苏华;余志雄
【摘 要】In order to improve bearing load capacity of journal bearing to meet the designing requirement for a great power journal bearing,by adding a shallow groove on texture bearing,a groove-texture composite journal bearing was designed.A numerical simulation analysis model of a groove-texture composite journal bearing was established,and the effect of groove on friction and load capacity of texturing bearing was studied by using computational fluid dynamics (CFD).The results show that the groove-texture composite structure can enhance the load capacity and integrated performance of journal bearing.The size and distribution of groove has a great influence on bearing performance.For given texturing parameters,when the grooves are arranged in the upstream region of the texture and the groove axial length is longer than the circumferential side,the overall performance of the journal bearing will be improved obviously.For a given operation condition,the bearing capacity can be increased by optimal design of groove depth,groove aspect ratio and the ci
苒苒草rcumferentially area of groove respectively,and the friction and end leakage of the bearing can be reduced simultaneously.%为进一步提高滑动轴承的承载力以满足大功率滑动轴承的设计要求,在织构型滑动轴承上增加浅沟槽,提出沟槽-织构复合型滑动轴承结构;建立沟槽-织构复合型滑动轴承性能数值分析模型,通过CFD数值仿真研究沟槽结构参数对织构型滑动轴承承载能力和摩擦特性的影响.结果表明:采用沟槽-织构复合形式可进一步提升轴承的承载力及综合性能;在织构参数一定的情况下,沟槽尺寸和分布形式对轴承性能有很大影响,当沟槽布置在织构上游区、沟槽轴向边长大于周向边长时有利于提高轴承的综合性能;在一定的使用条件下,合理设计沟槽深度、沟槽长宽比及周向布置区域大小,不仅能够有效提高轴承的承载力,而且能够减小轴承的摩擦力和端泄量,进一步改善滑动轴承的性能.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2017(042)007
【总页数】7页(P19-25)
【关键词】径向滑动轴承;沟槽-织构复合型;承载力;摩擦力
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【作 者】苏华;余志雄
【作者单位】西北工业大学机电学院 陕西西安710072;西北工业大学机电学院 陕西西安710072
【正文语种】中 文
【中图分类】V233.4;TH117.1
航空航天等机械传动系统对高性能滑动轴承的设计需求日益迫切，如齿轮传动风扇(Geared Turbo Fan，GTF)发动机中的行星轮滑动轴承就是一项核心技术，其高承载力要求、高速工作条件和相对狭小的尺寸空间，对滑动轴承的工作性能提出了很高要求。为了在有限的设计空间内提高轴承的承载能力和降低摩擦磨损，本文作者提出一种具有表面沟槽与微织构复合形式的滑动轴承结构，以期为大功率行星轮滑动轴承设计提供新思路。 近年来针对具有表面微织构的滑动表面摩擦学研究引起国内外学者的广泛关注。研究表明，设计合理的表面织构对于提高滑动接触表面的承载力、降低摩擦力具有积极作用[1-4]。很多学者研究了具有不同形状和尺寸的微织构对流体动压润滑性能的影响,如TALALGH
IL等 [5]、尹明虎等[6]研究了球形、圆柱形、矩形、三角形等不同织构形状及尺寸对滑动轴承承载力和摩擦扭矩的影响，发现矩形或方形织构对轴承性能影响较大。于海武和王晓雷[7]、KANGO等[8]、YU等[9]分析了微织构几何参数及其分布形式对流体动压润滑性能的影响，发现合理设计织构参数及分布可以获得良好的动压润滑性能。历建全和朱华[10]开展了变密度分布的圆柱微凹坑表面织构接触面在往复运动下的滑动摩擦试验，发现变密度分布的织构在较高载荷和滑动速度时能达到最佳的减摩效果。WANG[11]、ETSION等[12] 通过试验发现，表面织构能提高流体动压力，减小表面的粗糙度，并且大尺寸织构与小尺寸织构的组合能够更好地提高承载力。
为了减小分析规模，很多学者将轴承结构简化为局部的平板模型，这种方法对于深入研究织构滑动表面润滑机制较为有利，但是其结果不能直接用于设计织构在滑动轴承布置方式。如 BRIZMER和KLIGERMAN[13]发现，如果在整个轴承表面布置微织构反而会降低承载力，虽然在轴承局部表面布置织构可以提高承载力，但其效果有限并且与轴承偏心率有很大关系[14]。因此为了了解织构对整个轴承的作用，需要在完整的轴承模型上开展相关研究。另外，从现有研究结果来看，单一形式的织构对大功率滑动轴承承载力的提升作用尚未达到令人满意的效果。
本文作者针对大功率GTF滑动轴承的设计要求，在前期方形织构型滑动轴承研究的基础上[6]，提出沟槽-织构复合型滑动轴承结构，建立了完整的沟槽-织构复合型滑动轴承性能分析模型，采用基于N-S方程的CFD技术，通过分析沟槽的分布位置和尺寸参数对织构型滑动轴承摩擦学性能的影响，提出可进一步提高轴承性能的沟槽-织构复合型滑动轴承结构形式。
沟槽-织构型滑动轴承结构如图1所示(图中略去了油腔结构)。图2为以最大油膜厚度处为起点、沿周向展开的轴瓦示意图。织构形状为方形，边长为a，控制单元边长为b，深度为hp，如图3所示；定义织构深径比，织构面积率2。图2中沟槽周向边长为s1，轴向边长为s2，沟槽深度为hc，定义沟槽截面长宽比。 以轴承最大油膜厚度处轴承宽度中点为原点、轴承周向展开角为x轴、轴向长度为y轴，建立如图2 所示直角坐标系。轴承油膜厚度方程为
式中:h0为光滑区域油膜厚度；c为轴承半径间隙；ε为轴承偏心率；x为轴承周向角度。
文中滑动轴承的基本参数为：轴颈直径d=80 mm，轴承相对间隙ψ=0.2%，轴承偏心率ε=0.7,偏位角θ=50°，轴颈长度B=100 mm。润滑油动力黏度为η=0.045 Pa·s，密度ρ=800
kg/m3，轴颈转速n=8 500 r/min。根据文中轴承设计参数，采用与文献[6]类似方法，确定了以下具有较好承载能力和较小摩擦力的方形织构结构参数：hp=9.6 μm，k1=0.027，k2=0.3，织构的周向分布区域为160°～180°，
轴向分布参数：m1=20 mm、m2=30 mm(如图2所示)，织构分布区域关于x轴对称。
空气质量流量本文作者采用数值仿真方法分析沟槽织构复合型滑动轴承的性能，在文中分析条件下，并考虑到分析结果的简洁性，提出以下假设条件：设润滑油为不可压缩流体(马赫数Ma<0.104 9)，且不考虑其黏温效应；假定轴承为刚体不考虑其变形的影响；假设轴承表面光滑，不考虑表面粗糙效应的影响。
2.1 控制方程
采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD方法进行滑动轴承性能的数值分析，N-S基本方程为
p+μΔu
太阳能淋浴器
式中：ρ为流体密度；u为流体速度；fi为单位质量流体上的质量力；p为流体压力；拉普拉斯算子，u为流体在时刻t时的速度。
考虑到润滑油的气穴效应，采用液气两相流动的仿真计算模型。
2.2 三维仿真计算模型及边界条件
建立沟槽-织构复合型滑动轴承流体域三维模型，如图4所示。采用六面体单元网格离散流体域，控制六面体网格的扭曲率小于0.2，保证较好的网格质量。
回程间隙
采用FLUENT 软件进行沟槽-织构复合型滑动轴承性能分析，设置以下边界条件：模型内表面为旋转壁面，模型外表面为固定壁面，两端面设置为压力出口条件，出口压力为环境压力。采用Realizible k-ε模型模拟流场的紊流现象，采用Schnerr-sauer模型模拟流场的空化效应，空化压力设为0.1 MPa。考虑到计算时间和计算精度，采用SIMPLEC算法，收敛精度设为1×10-3，通过迭代计算求得轴承油膜的压力、切应力和速度分布。油膜压力沿轴颈表面积分可得轴承的承载力
w=∬pdxdy
切应力沿轴颈表面积分可得轴承油膜的摩擦力
Ff=∬τdxdy
轴承油膜的摩擦因数为
润滑油的端泄量由出口速度对端面的积分可得
L=∬uydxdy
2.3 CFD仿真计算方法的验证
为了验证文中数值计算方法的正确性，根据文献[10]提供的滑动轴承性能分析数据，采用CFD法进行了数值仿真。表1 所示为文中计算结果与文献[10]采用有限差分法求解Reynolds方程的结果对比。
可以看出，文中仿真结果与文献[10]结果基本吻合，表明文中仿真计算方法的正确性。
2.4 CFD模型网格独立性验证
模型的网格质量和密度是保证计算结果准确性的关键，所以有必要进行模型网格独立性验证。表2所示为针对文中沟槽-织构型滑动轴承油膜模型的网格独立性验证结果。
综合考虑计算精度和计算效率，采用网格数量为866 890的模型进行计算。
在上述确定的方形织构滑动轴承结构的基础上，分析沟槽周向分布位置及区域大小、沟槽深度和长宽比等参数对沟槽-织构复合型滑动轴承性能的影响，以确定合理的沟槽-织构匹配结构形式。
3.1 沟槽周向位置对轴承性能的影响
保持沟槽周向尺寸不变，周向边长s1=πD/18，对应沟槽周向角度为20°，沟槽长宽比k3=1，沟槽深度hc=9.6 μm。改变沟槽的周向布置位置，即沟槽位于织构区域上游(140°～160°)、中游(160°～180°)、下游(180°～200°)，分析沟槽的不同位置对织构型轴承性能的影响，结果如图5所示。
从图5可以看出，沟槽的周向相对位置发生变化时，轴承的承载力、摩擦因数变化较大，摩擦力、端泄量变化相对较小。当沟槽布置在织构区域的上游(140°～160°)时，轴承的承载
力最大，摩擦因数最小。因为沟槽布置在织构区域上游即动压油膜入口区域时，润滑油流经沟槽时会产生流体动压力，再流经织构区域时会产生二次动压力，从而能够提高织构型轴承承载力，即沟槽主要起到了动压轴承作用，增强了织构型轴承的动压效应。沟槽布置在中游、下游时，沟槽主要起到储油器的作用，轴承摩擦力和端泄量有所降低。
3.2 沟槽周向分布区域大小对轴承性能的影响
控制沟槽位于织构区域的上游,即位于125°～160°区域内，取沟槽深度hc=20 μm，沟槽长宽比k3=1∶3。改变沟槽周向分布角度大小，计算周向分布角从15°(即分布在145°～160°区域)变化到35°(分布在125°～160°区域)时轴承性能的变化，结果如图6所示。
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