涡轮增压器织构化浮环轴承润滑数值模拟-论文

【 ｂ ）俯视图
环轴承采取一些限定， 从而将模型进行简化。 浮环
轴承 的供 油形式有轴 向进油和径 向进油两种 ， 现 选
择轴 向进 油方式 。 浮环轴 承按照浮环 是否可 以旋 转
分为全 浮动轴承和 半浮动轴承 两类 ， 后者 由于限制 浮环 的旋转 运动 而避 免 高离 心力作 用 引起 油膜 中
轴
＝
胰
Ｕ ｒ Ｒ 。 Ｉ Ｒ 批。
（ ａ ）正 视 剖 面 图
Ｂ】 欧大
浮环稳 定旋转 时， 平 衡条件 为 内外载荷和力矩
分别大 小相等 ，方 向相反 ，可表述 为
＝
Ｗ２ 和 ＝ Ｍｏ 。
（ １ ２ ）
一
８ ｌ …
＋］一
羽 一 广 ～
一１ …
１ ． ２ 几何模 型 为 了便于模拟织 构对润滑性 能的影 响， 现对 浮
。
Ｗ ＝ ｆ ｆ ｐ ｄ ｘ ｄ ｙ 。
（ ５ ）
润滑 膜 作用 在 固体 表面 的摩 擦 力可 以积 分整
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
个润滑膜范围内表面流体层中的剪应力求得，即
，
角所对应 得到 的ｈ ， ￣ Ｆ ｌ ｈ 。 为浮环相应 的 内外 间隙 。
—
．
ｂ ：Ｏ
＿ ± 盯 ｄ ｘ ｄ ｙ ，
（ Ｐ ＡＤＡ） ； 江 苏 大 学第 ｌ １批 大 学 生科 研 立 项 资 助 项 目 （ １ １ Ａ ４ ４ ６ ）
作者简 介：钱晏强 （ １ ９ ８ ８ 一 ） ，男，江苏苏州人，硕士研究生 ，主要研究方 向为 内燃机摩擦学： 通信作者：尹必峰 （ １ ９ ７ ５ 一 ） ，男，江 苏泰 兴人 ，博士 ，副教授 ，主要研 究方 向为内燃机摩擦学及 排放控制 ，Ｅ ｍａ ｉ ｌ ：ｙ ｂ ｆ ＠ｕ ｊ ｓ ．ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。
研究了外问隙对浮环轴承动特性的影响 。 叶子波
等 以流 体滑 动轴 承 的润滑 理 论为 基础 对浮 环轴 承
进行 了润滑 数值分析 ，得 出浮环 内外半径 比增大 ，
其摩擦损失的研究 目 前尚不多见。 自２ ０ ０ １ 年Ｅ ｔ ｓ ｉ ｏ ｎ
等 将 表 面 织 构 思想 应 用 到 发 动 机 缸套 一 活 塞 环 系 统 ，并研究证 实其确实具有 润滑减摩功 效 隅 起， 表
偏心 率减 小 ，承载 能力增大 ；间隙过大或过 小 ，难 以形成润 滑油膜 ，影响承载 能力 ；索 氏数越大 ，则 轴承 的承 载能力也越 大 的结论 。王成焘等 指出一
般浮环 轴承外 间隙为 内间隙的两倍 ， 内间隙与轴颈
收稿 日期：２ ０ １ ３ — ０ ８ — ３ １
面织构在机械领域的应用研究日益广泛， 有的通过
Ａｌ ｓ ａ ｅ ｅ ｄ为研 究提升高速 涡轮 增压器稳 定性 的 方法 ，分析 了浮环 轴承的静力 学和动力 学特 性 Ⅲ 。
Ｔ ｉ ａ ｎ等建立起 了较 为完整 的浮环轴承动 力学方程 ，
明了其 工作机理 ， 并就整体结构对 承载能 力和 转速 对摩擦 力矩 的影 响进行 了分 析 。 然而利用 内外表面 的微 小结 构来 实现 提升 浮环 轴承 承载 能 力和 降低
文献标识码 ：Ａ
Ｄ Ｏｌ ：１ Ｏ ． ３ ９ ６ ９ ０ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ７ － ７ ９ １ Ｘ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ０ ８
０ 引言
为 了应对 能源 危机和环 境 问题 ，目前绝 大部分 的大 功率柴油机 、 半数 以上 的车用 柴油机 以及相 当 比例 的高性 能汽 油机均采用 了涡轮增压技 术 … 。轴 承 是制约增压器 使用寿命 的关键部件 ， 在相 继使用 了滚 动轴承和滑 动轴承之 后 ， 浮环轴承 以其 具有功 耗低 和稳定性好 的特点而在 增压器 中普遍 使用 ， 它 使增 压器 的转速得 以成倍提 高 ， 从而使其外 形尺寸 明显缩 小 ，重量减轻 ，使车用发 动机对于废 气涡轮 增压器 的基本要求 最终得 到满足 。
之 比约 为 ０ ． ０ ０ ２ － ０ ． ０ ０ ３ ，外 间 隙 与 轴 颈 之 比 约 ０ ． ０ ０ ４ － ０ ． ０ ０ ６ 。赵 新军等 采 用 电涡流 传感 器进 行 了浮环 轴承转速 及运动轨迹 的测试研究 ， 发现浮环 速度 与轴颈速度 、内外 间隙、半径 比及 内外 间隙 的 偏心度 相关 ，轴颈速度 一定时 ， 浮 环速度 由偏心度
求解 雷诺方程研 究润滑性 能， 寻找最优织 构参数方 案 ［ ９ － １ ０ １ 也有 的利 用基于 Ｎ— Ｓ方程 的 Ｃ Ｆ Ｄ 方法 ， 模 拟 并总 结织 构类 型及 几何 参数 对润 滑 性 能的影
基金项 目：国家重大科技成果转化专项资金项 目 （ ２ ０ ６ ０ ４ ０ ３ ） ；江 苏高校优势学科建设工程 资助项 目
（ ６ ）
，
由午坝祜性 定律 口 Ｊ 知
Ｘ
｝ Ｏ ｒ
ｏｊ
叩 ＝ （ ２ ｚ 一 ） ＋ （ 一 ） 鲁 ， （ ７ ）
浮环内表面ｚ ＝ ＝ 和外表面ｚ ＝ ＝ ０ ，其摩擦力为
＝
翥
图 １ 浮环 轴承 示意 图
Ｆ ｉ ｇ ．１ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｌ ｆ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ － ｒ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ａ ｒ
鲁 ＝ ０ ， 叩 ： ｃ 。 ｎ ｓ ｔ ， ｐ ＝ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ， Ｒ ｅ ｙ ｎ 。 ｌ ｄ ｓ 方 程 可 简 化 为
）
油膜 厚度 可表 示为
－ ６ ＋ ，
（ ３ ）
ｈ ｙ （ Ｒ ， 一 Ｒ ｊ ） （ １ ＋ ｅ ｃ ｏ ｓ ￣ ０ ） ， ｈ ｏ ＝ （ Ｒ ６ 一 ｒ ） （ １ ＋ 岛 ｃ ｏ ｓ ￣ ０ 。 ） ，
改善增压器浮环轴承苛刻工况条件下的润滑性能
不乏探 索意义 。 本文基 于 Ｃ Ｆ Ｄ 方 法 ，模拟 浮环和轴颈 同轴 时 刻浮环 处于稳定状 态时 ， 原始 未织构方案及 两种表 面 凹腔织构 方案 时润 滑油 的流 动状况 ， 获取润 滑油 流 动速度 及油膜压 力分布等 信息 ， 从而论述 织构在 改善浮环轴 承承载 能力 时所 发挥 的功效 ， 进 而为浮 环轴承表 面织构化 设计提供 理论依据 。
凹腔 所 在 附近 区域及 凹腔 所在 以外 区域 的网格 尺
第 ３ ７卷 第 ６ 期 ２ ０ １ ３年 １ １月
燕 山大 学 学报
Ｊ ｏ ｕｒ ｎａ ｌ ｏ ｆＹａ ｎ ｓ ｈａ ｎ Ｕｎｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
ＶＯ１ ．３７ Ｎ Ｏ．６ ＮＯ Ｖ． ２ ０１ ３
文章编号：１ ０ ０ ７ － ７ ９ １ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）０ ６ － ０ ５ ２ ２ － ０ ６
＝
［ 豫十 （ Ｕ ｂ 引 ， （ ８ ）
『 － 豫 别 。 （ ９ ）
若满足 ８项基本 假设 ，由 Ｎ— Ｓ方程 和连续性
需要说 明的是 ，式 （ ８ ） 、（ ９ ） 中的ｈ 、Ｐ、 和 并未区分 ，但表示 内外不 同油膜 的对应参数 。
对 廊 的 内 外 膜 力矩 可 表 示 为
表 １ Ｖ Ｔ ５ ０半浮动轴承尺寸
Ｔ ａ ｂ ．１ Ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ＶＴ５ ０ ｓ ｅ ｍｉ ｆ ｌ ｏ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ — ｒ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ａ ｒ ｍｍ
１ － ３ 网格 划分 及边 界 条件 设 定 油膜模 型的最小特 征尺寸 凹腔深度 为 ２ ０ ｇ ｍ， 是最 大特 征尺寸 油膜轴 向长度 ２ １ ． ５ ｍｍ的 １ ／ １ ０ ７ ５ ， 尺寸跨 度大 ， 增 加 了网格划 分 的难度 。为 了更 好地 分析 润滑油流经 凹腔特征 时的流场 ， 在Ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｍｅ ｓ ｈ 软件 中对织 构区域进 行 网格 加密处理 ，凹腔 区域 、
方程可以直接推导出 Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ 方程 “ 。对于轴颈
与轴承 同时转动 的滑动轴承 ， 润滑介质在 轴承 内外
间隙空间 中的流 动服从 Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ方程 ，写成如下
形式
５ ２ ４
燕 山大 学 学 报
＝
ｒ 一 鲁 啬＋ （ — ｕ ｒ ） ｋ ， （ １ ｏ
唯一确定 。Ｄｅ ｌ ｉ ｇ ａ ｎ ｔ 等利用 Ｃ Ｆ Ｄ 方法 分析浮环
轴承特 性 ， 揭示轴 承的冷却主要 是轴承及 外部 间隙 的热传 导 ，摩擦 力 矩与 转速 问存 在非 线 性 函数 关
系， 以及摩擦力矩随转速的变化 曲线随着润滑油温 度的降低而变缓的规律 。
上述 围绕 浮环 轴 承展 开 的研 究一 定程 度上 探
１ 理论基础及模型处理
１ ． １ 基 本 润滑 方程 浮环轴 承是 一种被 浮环 隔开 的双 膜润滑 轴承 ， 由于浮环 以一定转 速旋转 ， 相应 地减小 了其与轴颈
（ ４ ）
式 中，ｓ ＝ ｅ ／ ｃ 。 称 为相 对偏 心率 或偏 心率 ，其 中ｅ 为 偏心距 离 ，ｃ 。 为轴颈 、浮 环和 轴承 孔之 间两两 均 不存在偏 心时 的内外 间隙 。 将轴承及 内外油膜展 开成平 面， 原周 向定义为 瑚 方 向，轴 向定义 为ｙ 车 由 方 向，膜 厚方 向定义为ｚ 轴 方 向。承载量 为整个润 滑膜范 围 内的压 力积分 ，
第 ６期
钱 晏强 等 涡轮增压器织构化浮环轴承润滑数值模拟
５ ２ ３
响规律 ［ １ １ － １ ２ ］ ｏ可见， 摩擦副表面织构化是未来低摩
擦技术 的重要手段 之一 ， 尝试 引入表面 织构理念来
（ ］ 鲁） （ ＋ ） ２ 叩 ０ ｈ ， （ １ ）
定 常工 况 下运 转 ，载 荷 转速 等 均 不 随 时 间变 化 ，
涡轮增压器织构化浮环轴承润滑数值模拟