动压油膜轴承的摩擦性能及表面形貌分析

动压油膜轴承的摩擦性能及表面形貌分析

康建峰;王建梅;薛亚文;黄讯杰;马立新;韦安柱;曹玉发

【摘要】在考虑弹性变形、倾斜因素和粘温粘压关系的基础上,简要概述了动压油膜轴承润滑理论,基于油膜轴承综合试验台在线模拟了轴承的实际运转,通过TR200粗糙仪测量了试验轴承的三维表面形貌,间接地反映了轴承合金的磨损情况。结果表明：动压轴承在承载区的粗糙度变化幅值比较明显,非承载区变化幅值比较小。因此,非常有必要采取合理的措施控制或减少摩擦和磨损的产生。%With consideration of the elastic deformation, the misalignment factor and the viscosity-temperature and viscosity-pressure relationships, a brief overview of lubrication theory of mill oil-film bearing is introduced and the the actual operation of bearing was simulated on oil film bearing test rig. The 3D surface topography of test bearing was measured by TR200 rough instrument, which indirectly reflects the wear of bearing alloy. The results showed that the change of roughness amplitude of test bearing is obvious in the bearing area, but is relatively small in non- bearing area. Therefore, it is necessary to take reasonable measures to control or reduce the generation of the friction and wear.

【期刊名称】《太原科技大学学报》

【年(卷),期】2012(033)006

【总页数】6页(P455-460)

【关键词】动压油膜轴承;润滑理论;粗糙度

【作者】康建峰;王建梅;薛亚文;黄讯杰;马立新;韦安柱;曹玉发

【作者单位】太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;太原科技大学机械工程学院,太原030024;中石化润滑油研发中心,北京100085;中石化润滑油研发中心,北京100085

【正文语种】中文

【中图分类】TH117.1

油膜轴承是轧钢生产线上非常重要的零部件。随着轧制工艺的不断优化和轧机面向高速、重载、高强度、高刚度、高精度、连轧化和自动化方向的发展，油膜轴承的设计制造、使用维护都面临着新的挑战和要求，其中必要的措施之一是保证两摩擦副脱离接触，避免发生接触磨损。

通过对动压油膜轴承润滑理论的研究，可定性分析摩擦对轴承承载性能的影响。袁成清等[1]模拟了滑动轴承各个典型磨损过程，结果表明检测润滑油中的磨粒信息可以间接获得滑动轴承磨损表面的特征，进而进行滑动轴承的状态诊断。陈皓生等[2]根据轴承表面形貌对润滑效果的影响，推导出修正的Reynolds方程，并得出影响流量的因子有表面形貌的粗糙度和纹理。张朝等[3]研究表明粗糙度总是减小最小油膜厚度，并使油膜压力在接触区剧烈振荡，其幅值大于光滑表面时周期内的最大油膜压力。王震华等[4]计算了不同偏心率、轴颈倾斜角、表面粗糙度、表面方向参数下的轴承润滑性能，结果表明表面粗糙度在最小油膜厚度较小时对倾斜轴颈轴承润滑性能产生影响。杨伟等[5]对计入和不计入其表面粗糙度的滑动轴承过盈配合进行了仿真分析，提出了滑动轴承外径面的表面粗糙度在一定程度上影响着

滑动轴承过盈配合性质。

可见，轧机油膜轴承的粗糙度同样是磨擦过程中合金表面质量最直观的特征，油膜形状与厚度、油膜压力与分布、温度场以及摩擦力等直接影响到轴承合金表面的胶合、擦伤和接触性疲劳失效。

1 油膜轴承简述

油膜轴承又称液体摩擦轴承，是一种主要零件加工精度、表面粗糙度以及各种相关参数的匹配都是非常理想的滑动轴承。工作时根据轧辊转速、润滑油粘度和楔形间隙使得轴承承载区形成一个完整的压力油膜，使两金属脱离接触形成液体摩擦。具有承载能力大、使用寿命长、速度范围宽、结构紧凑、摩擦系数低、抗冲击能力强等优点。所以，动压油膜轴承不仅适用于轧机上，还适用在低速度、大载荷、多冲击、工作环境差、能源消耗低及安全程度高的其他重型机械上。如图1所示是试验轧机动压油膜轴承。

图1 试验轧机动压油膜轴承Fig.1 The test mill hydrodynamic oil-film bearings 向

在轧制过程中，轧制力会使轧辊中心与油膜轴承中心产生偏心，两者径向间隙内形成发散区和收敛区。旋转的轧辊将有粘度的润滑油从发散区带入收敛区，润滑油产生压力，油膜内各点的压力沿径的合力就是油膜轴承的承载力，如图2示。当轧制力大于承载力时，轧辊中心与油膜轴承中心之间的偏心距增大。在收敛区内轴承间隙沿轴颈旋转方向变陡，最小油膜厚度变小，油膜压力变大，承载力变大，直至与轧制力达到平衡，轴颈中心不再偏移，油膜轴承与轴颈完全被润滑油隔开，理论上形成的是全流体润滑。

图2 油膜轴承工作原理图Fig.2 Work schematic of oil film bearing

动压油膜轴承的工况非常恶劣，一旦发生失效势必导致轧机停产。造成轴承失效的原因有许多，其中磨损成为可能导致油膜轴承失效的主要问题之一。

2 油膜轴承润滑理论

为了全面研究油膜轴承的磨损问题，以试验轧机动压油膜轴承为研究对象，低速轻载时可以使用刚流计算思路进行理论分析，对于高速重载时均需要考虑弹性变形和粘温粘压关系，借助经典润滑理论与弹性变形相耦合的弹性流体动力润滑理论进行分析。

2.1 雷诺方程

图3 Reynolds方程坐标系Fig.3 The coordinate system of Reynolds equation 雷诺方程是滑动轴承计算中最基本的方程，描述了油膜压力与其它各参数之间的关系。考虑到轧机油膜轴承的工况特点，一般采用二维雷诺方程进行计算。按照图3所示的坐标系建立雷诺方程，其基本形式为:

式中x——周向坐标;

y——轴向坐标;

P——轴承的油膜压力;

h——轴承的油膜厚度;

ρ——润滑油密度;

η——润滑油粘度;

U——轧辊转速;

2.2 膜厚方程

油膜厚度是指轧辊锥套与衬套之间的楔形间隙，是弹流计算时的重要几何参数。膜厚沿周向变化，轴心的平衡位置通过偏位角α和偏心率ε来确定。刚流时的膜厚方程为:

考虑弹性变形的膜厚方程为: