為什麼動壓軸承不能低速運行? 什麼阻止了動壓徑向軸承的高速運行? 在恆定負載下,動壓軸承的氣穴現象是怎麼產生的?


博士在讀,轉子軸承方向。以下主要針對油膜動壓軸承,對於氣浮軸承部分適用。

1.首先簡單介紹動壓滑動軸承的原理:

在動壓滑動軸承中,由於重力、不平衡力等,軸頸(journal)相對於軸瓦(housing)產生偏心,因此產生收斂和發散的油楔,在收斂油楔中壓力升高,在發散油楔中壓力降低,從而產生承載力。如下圖所示:

2.氣穴現象的產生:

在發散楔中,若按照連續的液體模型計算,油膜壓力往往遠低於環境壓力。而實際上,當油膜壓力稍稍低於環境壓力時,油膜中溶解的氣體變成氣泡團,從而在發散楔中變成了兩相流動,該兩相流體彈性很小,因此油膜壓力不在進一步降低,基本穩定在稍稍低於大氣壓。因此在發散楔中通常將油膜壓力視為環境壓力。如下圖所示:

3.為什麼動壓軸承不能低速運行?

動壓軸承的承載力與轉速有正相關,當承載力一定的時候,轉速越低,軸頸越靠近軸瓦,因為此時油楔需要更大的收縮率來產生該承載力;當轉速過低時,軸頸和軸瓦靠的很近,會發生刮擦甚至抱死。因此動壓軸承運行轉速不能過低。

4.什麼阻止了動壓軸承的高速運行?

簡而言之:

A. 對於低速重載的大型轉子軸承(燃氣輪機、大中型壓縮機等),速度的上限主要被軸承穩定性限制;

B. 對於高速輕載的小微型轉子軸承(如車用渦輪增壓器等),速度上限主要受油膜溫度來限制。

下面兩部分詳細分析。

5.油膜軸承穩定性

油膜軸承的支撐反力並不是指向軸瓦的圓心,也就是說力的作用方向與軸頸偏心的方向不在一條線上,存在夾角。而且這個夾角隨著軸瓦離心率的減小而增大!夾角增大,意味著軸承支撐力沿切向的分量比例增加,不嚴謹地說,切向力的增加會讓軸承有產生進動的趨勢,當軸頸離心率小到一定程度,軸頸便開始劇烈進動,一般術語叫油膜渦動。而前面講到,在相同承載力下(一般是重力),轉速越高,軸頸離心越小,因此越來約不穩,高速高到一定程度,發生油膜渦動,轉子劇烈振動,對於大型轉子,這是極為可怕的!所以,一般來說低速重載軸承穩定性好,穩定性就是限制大型轉子軸承轉速上限的最重要因素。

下圖是我模擬的一個例子,圖中黑色圓為軸承間隙空間,藍色線為軸頸軌跡。我設軸頸初始位置與軸瓦同心,然後放開軸頸,在重力作用下開始運動,在低轉速下最終能穩定在平衡位置,但是在高轉速下,發生了劇烈渦動。

6.高速輕載軸承 油膜溫度:

對於高速輕載的軸承,穩定性要求已經不適合了,因為它的工作轉速遠高於」臨界穩定轉速「,所以渦動不可避免,還好對於小型轉子,渦動的陣仗不向大型轉子那麼嚇人,只要渦動幅值不要太大,還是可以正常使用的。而且還可以通過各種方法來控制渦動的幅值,在車用渦輪增壓器上,軸承採用浮動軸承結構。該結構中有雙層油膜,其中外層油膜主要就是提供阻尼,吸收振動能量,讓渦動幅度大幅減小。如下圖所示:

因此穩定性不是高速輕載軸承考慮的問題,但是由於轉速進一步升高之後,油膜溫度會急劇升高,對於車用渦輪增壓器,在極限情況下,油膜溫度最高點已經達到了190℃,要知道一般較好的潤滑油的閃點才210℃,再升高溫度,潤滑油就會大量炭化,阻塞軸承間隙。因此,對於小型的高速輕載轉子軸承,溫度才是轉速的限制因素。


這個牽涉到流體動壓潤滑的基本原理。流體動壓潤滑需要滿足兩個條件:潤滑劑有足夠粘度;兩個運動副之間,要有足夠的速度來形成楔形的流體膜。

大致如下圖所示:

可以簡單理解為:紅色高速旋轉體不斷把灰色標示的潤滑劑帶入紅色和藍色共同構成的楔形區域,形成高壓的液體膜,起到潤滑的作用。而一旦速度低了下來,紅色和藍色的相對運動部件就挨在一起,中間並沒有高壓流體膜。這時候就是滑動摩擦了,效果很差。

同樣的道理,如果運轉速度極高,那麼帶入下方的潤滑劑就更多,最下方的油膜變得厚起來,楔形就會被削弱。如果當下方的油膜足夠厚了,楔形就完全成了圓環形,這時也就不是流體動壓潤滑了。

而具體的計算要用到流體力學裡的雷諾方程,不詳述了。

順便說一句,這裡的潤滑劑也可以是空氣,也就是空氣軸承。


補充一下:

樓主問:動壓軸承的氣血現象是怎麼產生的?

實際應為氣穴現象

動壓軸承中的潤滑劑通常為液體潤滑油。

液體中總是含有一定的氣體,它以兩種形式存在於液體中,一是溶解在液體中,二是以氣泡的形式混合在液體中。液體中含氣量與液體中的壓力有關,壓力越大含氣量越多。一般在一個大氣壓下常溫時約有6%-12%的溶解空氣。當壓力低於某一值時,液體中的空氣就會分離出來,在液體中產生氣泡,這種現象稱為氣穴。

對於動壓軸承而言,氣穴的存在,會導致振動和雜訊。

以上回答,如有疏漏,請批評指正。


動壓潤滑,速度高了油膜厚,油膜厚了就避免摩擦


楔形效應是動壓軸承的基礎原理。就應用方面斯氏曲線較好的解釋了轉速與摩擦係數的關係:

如上圖所示摩擦係數變化按轉速不同大致分三個階段即:邊界摩擦,混合摩擦和流體摩擦。摩擦係數最小值雖然出現在混合摩擦狀態下,但些狀態的摩擦率也相對流體摩擦高,具體應用要按需求做平衡設計。

除材料本身摩擦學性能外,高轉速也意味著摩擦功耗的功率也高,冷卻的速率如果跟不上就會溫升太高。

穴蝕現象和壓力波動關係較大。具體到應用中,就形成的原因不同,有些可以通過幾何尺寸的設計來解決。而有些在特定的系統中(包括尺寸大小和幾何形狀)無法避免


在我的工作中,關於動壓軸承接觸不多,所以肯定不專業,但是還是闡述下我的觀點吧

首先樓上回答的很好,圖片也解釋了樓主為什麼動壓軸承不能低速運行,因為在低速狀態下軸承運作不潤滑,而動壓軸承是指在潤滑狀態下工作的軸承,非潤滑狀態下動壓軸承轉動的兩表面互相接觸,不僅會工作效率低下,並且金屬磨損也會達到一個相當程度!

動壓徑向軸承根據結構可大致分為單油楔軸承和多油楔軸承,單油楔軸承又有整體式和剖分式,多油楔軸承又有多油楔式,階梯面式等等,根據結構劃分的不同徑向軸承它們的運行承載能力也不同!也就是高速運行的狀態不一樣!

動壓軸承的氣血現象個人也不甚了解,但竊以為可能跟溫度有關,動壓軸承運作的時候產生高溫,與此同時冷卻劑也在不停的加入,讓軸承間的潤滑劑有溫差變化吧……我這裡也就是提供另一個思維方式

另我主要是做真空上料機一塊,對於動壓軸承真實不甚了解,我的觀點僅供參考,如果有什麼疏漏錯誤,歡迎指正,謝謝!


動壓不是一定不能低速的,主要看潤滑油!轉速低,就選擇黏度大的潤滑油,黏度低了就抗不了極壓,產生摩擦!轉速高就選擇黏度低潤滑油,黏度高了,帶不進油楔里,產生摩擦!


占坑,有時間了回答,寫一個專業認真的答案


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