基于Tribo-X inside ANSYS的滑动轴承混合润滑应用概述

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Tribo-X inside ANSYS具有考虑滑动轴承处于混合润滑阶段性能分析计算能力，开启混合润滑高级项 “Mixed Lubrication”功能即可以将其作为高级边界条件添加到滑动轴承性能的计算分析中，如图1所示。

图1

混合润滑的考虑可以建立在轴承体弹性变形的轴承分析基础上（EHD），一个3油楔滑动轴承分析目录树如图2所示：轴承分析的刚度信息由静态结构分析确定，考虑轴承设计、材料、支撑和网格等；

轴承表面和轴之间的几何尺寸和间隙在CAD模型中进行定义，Tribo-X自动检测几何尺寸和这个间隙；压力边界条件用来定义润滑油的供应区域，几何形状可以是任意的，因此任何类型的润滑供应都是可以定义的，润滑油供应区域的单元尺寸应定义得足够小，几何形状选择尺寸范围内包含至少3个单元；

此外，润滑属性用来定义润滑剂的材料性质，操作条件用来定义滑动轴承负荷、速度或轴是否对准的条件，湍流工具允许考虑润滑间隙内的湍流行为，通常紊流会导致更高的承载能力，并伴随着摩擦的增加。

图2

限于本文着重点，以下不再针对Tribo-X基本分析流程进行介绍，仅对混合润滑的设置和技术进行简要说明。

图3

一般情况下轴与滑动轴承启动到工作平衡的过程的摩擦可以分为三个阶段，边界摩擦阶段、混合摩擦阶段、流体摩擦阶段。如图3所示，边界摩擦阶段在低转速、低粘度、高负荷或低润滑条件下发生，承载能力来自于套管和轴的粗糙表面的接触，高摩擦系数；

当轴与轴承表面的间隙高度低于一定极限值时，轴与轴承处于混合摩擦阶段，摩擦表面没有完全分离，固相摩擦和流体摩擦同时存在；处于流体摩擦阶段摩擦表面完全分离，有足够的周向速度，承载能力完全由流体动力压力实现。因此，对于混合润滑区域，表面没有完全被润滑油分开，由于表面粗糙度的影响，存在着直接接触的区域，需要考虑对轴承性能的影响。

图4

Tribo-X有两种设置选项来描述混合润滑阶段的参数设置，分别是解析选项和离散选项。解析选项基于轴承和轴的均方根值(RMS)进行表面粗糙度的描述，而离散方法基于测量数据的表面粗糙度。

解析法通过实体接触塑性流动压力、边界摩擦系数、轴承与轴表面粗糙度以及粗糙度方向进行考虑。如图4所示，塑性流动压力该性质描述了表面粗糙度开始塑性变形时的压力载荷，轴承和轴的表面粗糙度用均方根值来描述，同时不同的选项来描述粗糙度的方向：圆周方向各向异性粗糙度方向(>1.0)，各向同性粗糙度方向(=1.0)，轴向各向异性粗糙度方向(<1.0)。

相对于解析法，离散法是基于真实表面扫描的。需要对表面进行测量扫描，以特定的文件格式提供数据，如图5所示。

图5

下面以这个3油楔滑动轴承混合润滑计算的结果进行后处理内容的举例说明，确定流体动力和固体接触压力的数值、平衡位置的变化以及最小油膜的变动。该滑动轴承系统设计输入为承受径向载荷大小为15000N，转速分别为100、200、400、600、1000、3000、5000、8000、10000RPM。

0-1000RPM转速下此时轴承处于混合润滑阶段，总压力等于流体动力压力和实体接触压力之和。其中400RPM下总压力、流体动力压力、实体接触压力的计算结果如图6所示。
1000-10000RPM转速下，轴承处于流体润滑阶段，不再存在实体接触压力。10000RPM总压力如图7所示。
实体接触与流体动力负载能力比率与轴的转速之间的关系如图8所示，实体接触与流体动力负载随着转速提高分别降低和升高，后期承载主要由流体动力承担。
平衡位置与转速变化位置变动如图9所示，当轴的转速足够大时，形成较大的油膜力使轴浮起，直到油膜力和外载荷F平衡。
10000RPM时总体油膜高度分布与最小油膜变化曲线关系如图10所示。