CN108105257A - 一种设有环向联通槽的h形浅腔动静压混合水润滑径向轴承 - Google Patents

一种设有环向联通槽的h形浅腔动静压混合水润滑径向轴承 Download PDF

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一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，属于轴承设计与制造领域，包括轴径、H形静压腔、节流孔、轴套、环向联通槽。在轴套内表面沿周向均匀设置4～6个H形静压腔，静压腔深度为径向间隙的2～7.5倍。各相邻的H形静压腔之间通过环向联通槽连通。节流器的节流孔设于H形静压腔的周向横隔的中心处，润滑水通过供水装置经节流孔进入H形静压腔中。轴径套接在轴套中。本发明具有优异的运行特性和加工性能；通过减小静压腔的深度降低轴承堆焊工艺的难度和成本，充分利用流体的动压效应，提高轴承的承载力并减小轴承摩擦力；环向联通槽可以避免加工过程中多次对刀，提高加工过程中静压腔相对位置的控制精度，小幅增加供水量，减小轴承的温升。

Description

一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承
技术领域
本发明属于轴承设计与制造领域，涉及一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，可减小轴承摩擦力和温升，提高轴承承载力与易加工性。
背景技术
轴承是各类旋转机械的核心润滑承载部件，对整个***的承载能力、摩擦功耗、使用寿命以及运行精度等性能指标都有着至关重要的影响。轴承种类繁多，分类复杂，按运动方式可分为滚动轴承和滑动轴承，按运行方向与承载力方向的相对位置又可分为推力轴承和径向轴承，按润滑剂类型又可分为油润滑、水润滑、气体润滑以及干摩擦自润滑轴承等等，所以轴承设计与性能评价应考虑其应用领域的行业背景。
近几十年来，随着我国国民经济的高速发展，能源消耗日益增长。核电作为一种相对清洁、经济和可持续发展性好的能源形势，在我国正处于迅猛发展的历史阶段。各类核泵(核主泵以及喷淋泵、上充泵、汽动辅助给水泵等核二级泵)是核电站中重要的动力装备，担负着核回路中冷却剂循环和其它设备功能维持与安全防护的重要任务，而轴承又是上述各类核泵中的重要部件，其性能优劣对核泵性能，乃至整个核电站的安全性有着至关重要的影响。由于处于辐射环境当中，新一代核泵大都采用水作为轴承润滑剂，这主要因为水的抗辐照能力强、而且来源广泛、获取容易以及成本低廉，但水的粘度低，对轴承承载性能有不利影响，所以在新一代核主泵以及喷淋泵和上充泵中都采用动静压混合形式的推力轴承(核主泵)或径向轴承(喷淋泵和上充泵)。
对动静压混合径向轴承而言，其特点是在低速时主要利用静压效应将轴径托起，而高速时则可充分利用流体动压效应，使轴径表面和轴套表面之间产生液膜，达到润滑承载的目的，所以如何提高动静压混合轴承承载力、减小其摩擦力是轴承设计的关键，但除此之外还需要充分考虑轴承的易加工性。普通动静压混合轴承的静压腔深度一般为轴承径向间隙的30～60倍，计算时整个静压腔的压力简单假设为均匀分布，即不考虑静压腔中流体的动压效应。然而，对核泵所用轴承而言，为了应对辐射环境，需要在轴套表面堆焊专门的合金材料。静压腔深度过深就需要堆焊更厚的合金材料，这一是会引起生产周期变长，成本的急剧增加，二是会导致堆焊过程复杂，堆焊质量极难保证，往往无法堆焊成功，这就需要对静压腔的深度进行细致深入的设计。显然，进行静压腔深度的设计就不能将静压腔压力假设为均匀，需要将之作为未知数通过雷诺方程求解，而我们在前期研究中已经解决了该问题。在前期研究中还发现，普通动静压轴承的静压腔形状往往设计为矩形(沿周向展开)，这种静压腔结构形式简单，易于加工，但对轴承性能而言并非最佳形状。此外，轴承静压腔是在轴套内圆柱面加工而成，而且往往需要加工出多个静压腔，加工时的精准定位比较困难，如果各静压腔之间完全独立，加工时就需要多次对刀，难以保证各静压腔相对位置的控制精度。
显然，在轴承设计时上述问题或者说影响因素需要综合考虑，但目前国内还缺乏针对核泵使用条件下的动静压水润滑轴承产品和设计，而国外虽有相关产品，但其产品设计也并未充分考虑到上述各因素的综合影响。最近几年我们通过与相关企业的深入合作，对核泵用动静压混合水润滑轴承的性能计算和优化设计有了新的认识，针对核泵用水润滑轴承的特殊要求，设计了一种有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，该型轴承设计兼顾了轴承的性能和易加工性，综合性能优越。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种新型的水润滑径向轴承，使核泵水润滑径向轴承既具有优异的运行特性，又具有优异的易加工性能。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，包括轴径1、H形静压腔2、节流孔3、轴套4、环向联通槽5。
根据机械***对轴承性能的具体要求，H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承的径向间隙(轴套4内圆半径与轴径1外圆半径之差)取值0.10～0.45mm。在轴套内表面6沿周向均匀设置4～6个H形静压腔2，静压腔深度为径向间隙的2～7.5倍，远小于普通油润滑静压轴承静压腔的相对深度(30～60倍)。各相邻的H形静压腔2之间通过环向联通槽5连通，深度为径向间隙的1～2倍。每个H形静压腔2设置对应的节流器节流孔3，节流器的节流孔3设于H形静压腔2中间环向槽的中心处，润滑水通过供水装置经节流孔3进入到H形静压腔2中。轴径1套接在轴套4中。
当轴承轴径1转速较低时，轴承主要通过流体静压承载原理产生流体压力，当轴承轴径1转速达到一定数值以后，轴承的承载能力将由流体静压效应和流体动压效应共同作用产生。上述设计参数中，H形静压腔2设计成浅腔一方面可以大幅减小轴套内表面6上堆焊材料的厚度，从而大幅降低堆焊工艺的难度和成本，另一方面还可以增强较高转速时轴承的流体动压效应，可增加承载力、降低摩擦力和供水量(有利于降低对供水装置的技术要求)。设置环向联通槽5虽然会使承载力小幅下降，摩擦力和供水量轻微增加，但却能够有效提高加工过程中静压腔相对位置的控制精度。各部分的具体设计尺寸见表1。
表1设环向联通槽的H形静压腔动静压轴承各参数的取值范围
表1中符号分别为：Ngroove表示H形静压腔2的个数；c为轴承的径向间隙(单位：mm)；L为轴承宽度；a为H形静压腔2外轮廓沿轴向的宽度；a1为H形静压腔2中间环向槽沿轴向的宽度；d为各H形静压腔2之间环向联通槽5的轴向宽度；b为H形静压腔2外轮廓沿周向的宽度；b1为H形静压腔2中间环向槽沿周向的宽度；hgroove为H形静压腔2的深度；hlink为环向联通槽5的深度。
需要特别注明的是，实际使用中的轴承产品要满足***多方面的要求，尺寸会各有不同，为了使设计具有普适性，往往都采用无量纲化参数。由于轴承设计的专业特性，静压腔沿轴向的尺寸以轴承宽度为基数进行无量纲化，沿周向的尺寸需要以轴承半径为基数进行无量纲化，深度方向的尺寸则以径向间隙为基数进行无量纲化。
本发明的有益效果为：本发明将静压腔设计为浅腔，通过减小静压腔的深度来降低轴承堆焊工艺的难度和成本，而且能够充分利用流体的动压效应，提高轴承的承载力并减小轴承摩擦力；在各静压腔之间设置环向联通槽以避免加工过程中的多次对刀，可以有效提高加工过程中静压腔相对位置的控制精度；计算表明，环向槽的设置可以小幅增加供水量，降低轴承的温升。
附图说明
图1动静压混合径向轴承结构图；
图2带联通槽H形静压腔动静压混合径向轴承轴套内表面沿周向展开图；
图3设有环向联通槽H形静压腔动静压混合水润滑径向轴承轴向对称轴一侧的无量纲压力分布图(周向展开)；
图4常规矩形静压腔动静压混合径向轴承轴套内表面沿周向展开图；
图5常规矩形静压腔动静压混合水润滑径向轴承轴向对称轴一侧的无量纲压力分布图(周向展开)；
图6无环向联通槽H形静压腔动静压混合径向轴承轴套内表面沿周向展开图；
图7无环向联通槽H形静压腔动静压混合水润滑径向轴承轴向对称轴一侧的无量纲压力分布图(周向展开)；
图中：1轴径；2轴套表面静压腔；3节流孔；4轴套；5环向联通槽；6轴套内表面。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，包括轴径1、H形静压腔2、节流器的节流孔3、轴套4、环向联通槽5。轴套内表面6沿周向均匀设置5个H形静压腔2；两个相邻的H形静压腔2之间通过环向槽联通5连通。轴径1套接在轴套4中。节流器的节流孔3设于H形静压腔2的横隔的中心处。
比较图3、图5和图7可以比较静压腔类型不同时轴承压力分布的不同。对矩形静压腔轴承而言，其最大的特点在于同一静压腔内压力近似均匀分布，而不同静压腔内的压力由于流体动压效应存在明显的差异；对H形静压腔轴承来说，不仅不同静压腔内的压力分布不同，即使同一静压腔内压力沿周向分布也有明显不同，这说明H形静压腔能更好地利用流体动压效应。从图3和图7结果来看，是否设置环向联通槽对轴承压力分布没有显著影响。各参数对轴承性能的具体影响如表2，综合比较这些结果并考虑可加工性(加粗斜体标注为最优值，加下划线标注为最差值，但考虑到流量大有利于与散热，而流量小对供水装置的要求小，所以不定义好与坏)，便可选取合理的设计参数，即表2中带底纹一行对应的设计参数。
表2针对图2所示动静压混合轴承各参数对其性能的影响
表2中各参数含义为：W表示无量纲承载力；F表示无量纲摩擦力；Q表示无量纲流量；ΔT表示轴承温升(有量纲，单位℃，绝热条件下计算得到，轴承转速1500rpm)；另外需要说明的是本表中仅为部分计算结果，实际设计过程中需要更详尽的参数计算分析。

Claims (1)

1.一种设有环向联通槽的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承，其特征在于，所述的H形浅腔动静压混合水润滑径向轴承包括轴径(1)、H形静压腔(2)、节流孔(3)、轴套(4)、环向联通槽(5)；
在轴套内表面(6)沿周向均匀设置H形静压腔(2)；各相邻的H形静压腔(2)之间通过环向联通槽(5)连通；每个H形静压腔(2)设置对应的节流孔(3)，节流器的节流孔(3)设于H形静压腔(2)的周向横隔的中心处，润滑水通过供水装置经节流孔(3)进入H形静压腔(2)中；轴径(1)套接在轴套(4)中；各部件尺寸的取值范围见下表：
表中符号分别为：Ngroove表示H形静压腔(2)的个数；c为轴承的径向间隙，单位mm，径向间隙为轴套(4)内圆半径与轴径(1)外圆半径之差；L为轴承宽度；a为H形静压腔(2)外轮廓沿轴向的宽度；a1为H形静压腔(2)中间环向槽沿轴向的宽度；d为各H形静压腔(2)之间环向联通槽(5)的轴向宽度；b为H形静压腔(2)外轮廓沿周向的宽度；b1为H形静压腔(2)中间环向槽沿周向的宽度；hgroove为H形静压腔(2)的深度；hlink为环向联通槽(5)的深度。
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