现代油膜轴承理论与技术研究进展

现代油膜轴承理论与技术研究进展

刘勇

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摘要：当今，我国经济发展十分迅速，伴随着热轧机组，特别是带钢无头连铸连轧机组(如ESP、MCCＲ)在数量上的增加及产能上的进一步提升，对其核心零部件油膜轴承提出了更为严格的要求。为保证热轧机组的正常运行，各国采用了不同结构形式的油膜轴承径向承载方式，其在承载机理上虽保持一致:主要依靠楔形空间大小、相对运动速度与润滑油粘度之间的相互匹配，以形成不同压力、不同厚度的压力油膜，从而完成承受轧制力及润滑的目的。为实现这一功能，不同的轴承设计方在参数间的匹配却各有千秋。

关键词：现代油膜轴承理论;技术研究进展

引言

油膜轴承是以润滑油作为润滑介质的径向滑动轴承，又称液体摩擦轴承，具有一般滑动轴承和滚动轴承无法比拟的优点，如摩擦因数小，承载能力大，使用寿命长，抗冲击能力强等。油膜轴承广泛应用于钢铁、矿山、冶金、风力发电、船舶、航天、航空等系统的高、精、尖关键设备中，其中应用在各类轧机上的油膜轴承称为轧机油膜轴承，可以看作是轧钢机械的“心脏”，其运行性能直接关系到设备的生产效率和安全。油膜轴承的研究是涉及机械、材料、力学、数学、控制、计算机、物理、化学等多学科知识的系统工程技术，本文从结构设计、润滑理论、蠕变理论、结合强度理论、结合工艺、试验与中试平台建设方面进行综述。

1油膜轴承工作原理

轧机油膜轴承座由轴承座体（含箱、盖）、径向承载件（衬套、锥套等组成的滑动轴承）、轴向承载件（双列止推滚动轴承）、锁紧装置（液压式锁紧机构）、密封装置（脚型密封、水封等）及其他零部件6部分组成。核心元件是由衬套、锥套组成以润滑油为介质的动压滑动轴承，即油膜轴承。每根支撑辊（或轧辊）两端各有一个轴承座，轴承座固定在轧机牌坊内，每个轴承座内有一套油膜轴承，油膜轴承的衬套由定位销固定在轴承体内，内表面浇铸有减摩材料巴氏合金，油膜轴承的锥套则通过无键连接由液压锁紧机构固定在支撑辊两端，衬套与锥套形成一对摩擦副。其工作原理是利用流体动力动压效应，亦称楔形效应，当轧机旋转时，轧辊与锥套一起（相当于轴）在衬套（相当于轴瓦）中旋转，依靠转轴的速度把润滑系统供入轴承的润滑油带入到收敛的楔形间隙中，生成动压油膜，由于流体动压作用，在锥套与衬套之间形成压力油膜以平衡轧辊重力和轧制压力，油膜内各点的合力就是油膜轴承的承载力，承载力与轧制力达到平衡，轴颈中心不再偏移，锥套与衬套完全被润滑油隔开，轧辊不停地旋转就会持续把供入的润滑油带入稳定的楔形中，在锥套与衬套之间理论上形成全流体润滑。因此，这类油膜轴承具有摩擦因数小、功率消耗少、承载及抗冲击能力大、使用寿命长、结构紧凑、速度范围宽等优点，广泛应用于轧制力较大的板带轧机的轧辊或支撑辊上。油膜轴承工作时在锥套与衬套之间理论上存在摩擦3种工况：（1）干摩擦。无润滑下的摩擦，即锥套外表面与衬套内表面之间在没有任何润滑剂或因表面出现高点导致出现金属表面直接接触的条件下所发生的表面直接摩擦。（2）液体摩擦。锥套外表面与衬套内表面之间有一层连续的液体类（如油脂）润滑剂形成的薄膜隔开时发生的摩擦。（3）混合摩擦。中间形式的摩擦，其特点是摩擦表面有一层很薄（厚度≤0.1μm）的介质或介质层只盖住了一部分表面，包括边界摩擦、半干摩擦、半液体摩擦3种情况。干摩擦是必须杜绝的工况，因为出现干摩擦时，很容易产生粘着磨损，烧坏轴承，这种情形一般在缺油或断油的情况下发生。液体摩擦是比较理想的工况，是轧钢过程中必须维持的，需要通过加强润滑系统的有效管理来保证。混合摩擦是在轧机起动或停机时工况，尽管轴与轴承间有润滑油，但由于运动速度等于零或趋近于零，流体动压润滑尚未形成或逐渐消失，轴与轴承必然直接接触，此时处于边界润滑甚至是半干摩擦状态。轧钢过程中，由于产生冲击振动、进水过多、供油不足或油质有问题等都可能产生混合摩擦，这种状态容易造成轴承温度上升，存在烧轴承风险，必须控制发生。

2蠕变理论

油膜轴承巴氏合金具有良好的顺应性和耐磨性，但合金熔点较低，当轴承工作温度超过0．3Tm(Tm为材料熔点)时，材料会发生不同程度的蠕变效应，且合金蠕变与油膜厚度达到同一量级，会对油膜的润滑性能造成不可忽略的影响。国内外学者针对金属材料的蠕变性能进行了许多研究:建立了镍基单晶高温合金蠕变行为的相场模型，提出了一种球压痕蠕变试验解析提取诺顿定律蠕变指数和系数的方法，研究了镍基合金的扩散焊接件及其蠕变行为。然而，针对巴氏合金蠕变的研究相对匮乏，巴氏合金蠕变特性、使用寿命、厚度优化等问题尚需相关理论的支撑。开展了大量的巴氏合金蠕变研究，提出了油膜轴承蠕变理论;基于衬套巴氏合金蠕变试验得到巴氏合金蠕变力学性能，建立了稳态蠕变本构方程。上述研究基于衬套结构及受力特点，开发非均匀载荷条件下厚壁圆筒稳态蠕变应力算法，得到蠕变应力与结构尺寸的变化规律，给出了最大蠕变应力位置;构建巴氏合金蠕变寿命计算和评估模型，实现油膜轴承蠕变寿命预测，并编制蠕变寿命预测软件;提出衬套厚度优化方法，为全面描述油膜轴承应力状态以及结构优化提供了理论基础和技术支撑，进一步发展了现代油膜轴承理论与技术。

3油膜轴承结合工艺与检测技术

油膜轴承衬套由钢基体与锡基巴氏合金组成。当承受较大的冲击载荷时，巴氏合金极有可能因结合强度不足而导致脱落损坏，合金与基体的结合性能成为评价衬套质量的重要因素。衬套双金属最初常用的结合方式为静止浇铸，巴氏合金硬质相在浇铸过程中极易因重力在底部沉积，导致组织分布严重不均。将工艺改进为离心浇铸，一定程度上缓解了硬质相沉积的现象，但离心浇铸产生的组织粗大和偏析现象却无法完全避免，为了增加巴氏合金与钢基体的结合性能，浇铸前需要在钢基体上镀一层锡。然而，离心浇铸在实际加工过程中会造成较大的巴氏合金余量，导致原料利用率偏低和生产制造成本增加。随着各种结合工艺的广泛应用，国内外学者开展了不同新型工艺的合金组织性能研究:研究了激光熔覆增材制造的各向异性表征方法;通过熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)在中碳钢表面焊接巴氏合金，并研究了其界面微观组织;通过火焰喷涂和电弧喷涂比较了离心浇铸工艺的微观组织及摩擦特性;利用热喷涂工艺制备巴氏合金涂层，研究了其组织相分布。针对巴氏合金离心浇铸存在成分偏析和致密性不够的缺陷，通过MIG焊、埋弧焊、激光熔覆等工艺在钢基体上制备巴氏合金，对比不同工艺下巴氏合金与钢基体的结合组织，分析了不同工艺对巴氏合金结合特征与元素分布的影响;结合摩擦磨损试验，研究了不同工艺下巴氏合金的摩擦学特性。

结语

本文总结了油膜轴承结构设计、磁性液体润滑理论、蠕变理论、结合强度理论、结合工艺与检测技术及试验与中试技术的研究现状，并结合油膜轴承在结构设计、理论研究与技术发展方面存在的问题提出了油膜轴承未来的研究方向:需要深化基础理论研究，综合应用智能制造技术，以发挥油膜轴承的产品特点和独特优势，进而拓展油膜轴承的应用领域。

参考文献

［1］韩庆，荆丰伟，何安瑞，等．基于油膜力的油膜厚度补偿模型的研究与应用［J］．轧钢，2021，38(01):70－73．

［2］张直明．滑动轴承的流体动力学润滑［M］．北京:高等教育出版社，2019．

［3］刘汉阳，李钦奉．基于FLUENT的多油腔动静压轴承油膜压力仿真［J］．舰船电子工程，2021，41(09):102－107．