[发明专利]一种水润滑阶梯瓦动压推力轴承的设计方法

说明书

技术领域：

本发明涉及轴承技术领域，尤其是涉及一种水润滑阶梯瓦动压推力轴承的设计方法。

背景技术：

动压轴承广泛应用于船舶、泵、水轮机、汽轮机及其他工业设备中，由于油的粘度大，能够产生较大的动压承载能力，所以动压轴承通常以油作为润滑介质，但也因此消耗了大量油料，因润滑油泄漏而造成的水环境污染问题也日趋严重。

水作为一种来源广、安全、无污染的资源，使得近年来水润滑轴承成为轴承发展的趋势。油润滑理论已经较为成熟，在机械设计手册上有大量的设计图表、公式可循。由于水的粘度比油小得多，水润滑的承载能力远小于油润滑，且水在大的负压下会产生空化现象，所以在进行水润滑轴承的设计时，原有设计图表已不再适用，需要寻找新的设计方法。

见图1所示：阶梯瓦推力轴承（内外径分别为Di、Do）由多个水槽10和阶梯瓦块20组成，阶梯瓦块包括两个有高度差δ的梯面2a和2b（梯面2a和2b的宽度为B，长度分别为L1和L2），阶梯面可用压印法或酸蚀法制成，比斜面瓦、螺旋槽等推力轴承结构简单，加工方便。其与推力环30相配合形成工作面，推力环30只能从低阶梯面2a向高阶梯面2b转动，阶梯瓦推力轴承多用于小型轴承。

针对油润滑，国内外用数值计算或实验模拟的方法对阶梯瓦动压推力轴承做了大量研究，提出了一些设计方案。但因为计算模型的复杂及条件所限，大多数研究都对推力轴承瓦块进行了简化，将扇形瓦简化为矩形瓦，如此计算出的结果与实际有一定的差距，因此需要针对水润滑阶梯瓦动压推力轴承建立更为真实的计算模型，考虑到水的空化现象，得到轴承最优的设计结构，使相同负载下轴承的水膜刚度最大。

发明内容：

本发明的目的就在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种水润滑阶梯瓦动压推力轴承的设计方法，其结构简单，加工方便，更容易推广应用。

为实现上述目的，本发明的一种水润滑阶梯瓦动压推力轴承的设计方法包括如下步骤：

（1）根据推力轴承的运行工况和安装尺寸确定推力轴承的内外径尺寸；

（2）根据推力轴承的内外径尺寸确定推力瓦块数量；

（3）确定水槽形状及尺寸；

（4）确定推力瓦块表面阶梯的位置及尺寸；

（5）确定进水孔位置。

作为上述技术方案的优选，所述的轴承外径尺寸为内径的1.5～3倍。

作为上述技术方案的优选，所述的瓦块数量取决于轴承内径，瓦块个数需满足的条件为瓦块宽长比不小于1。

作为上述技术方案的优选，所述的水槽截面形状为带平滑过渡的半圆、三角形、长方形或梯形；水槽宽度按水槽占推力面的0.7～0.85计算，水槽深度为1～8mm；如轴线水平，则水槽深度须小于0.5mm。

作为上述技术方案的优选，所述的瓦块表面阶梯位置由瓦块的宽长比决定，瓦块阶梯高度根据运行时的水膜厚度确定，水膜厚度由运行工况及已定尺寸计算而得。

作为上述技术方案的优选，所述的进水孔位置须在推力轴承内径附近或以内。

本发明的有益效果在于：其针对水润滑轴承设计的空白，通过研究水润滑工况下常用尺寸阶梯瓦动压推力轴承的润滑模型，分析阶梯瓦推力轴承的结构尺寸、运行工况对轴承承载能力、水膜刚度的影响，得到了最优化的设计方法，使相同尺寸的水润滑轴承承受载荷更大、使用寿命更长。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为阶梯推力轴承的结构示意图；

图2为阶梯推力轴承的运行示意图；

图3为阶梯推力轴承内外径选择设计图表；

图4为阶梯推力轴承的水槽截面图之一；

图5为阶梯推力轴承的水槽截面图之二；

图6为阶梯推力轴承的水槽截面图之三；

图7为阶梯推力轴承的水槽截面图之四；

图8为阶梯推力轴承的阶梯位置设计图表；

图9为阶梯推力轴承承载系数设计图表。

具体实施方式：

以下所述仅为体现本发明原理的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

参阅图1～图7所示：本发明的一种水润滑阶梯瓦动压推力轴承的设计方法包括如下步骤：

（1）明确水润滑推力轴承应用的运行工况（转速、负载）及安装尺寸，参考图2选择轴承的内径，轴承外径尺寸则一般为内径尺寸的1.5～3倍；

（2）根据所确定的推力轴承内径，推力瓦块个数可根据下表选择，轴承尺寸越大，瓦块数应越多，以便有更多的水槽使轴承表面充分形成动压水膜，减少摩擦磨损；