外轉(zhuǎn)子導(dǎo)水槽對(duì)雙軸頸階梯腔滑動(dòng)軸承水膜特性的影響

摘要：開(kāi)設(shè)導(dǎo)水槽的外轉(zhuǎn)子雙軸頸階梯腔滑動(dòng)軸承為電子水泵徑向軸承的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，軸承水膜壓力和承載力直接影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命。采用有限元方法對(duì)具有不同水槽的外轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承水膜特性進(jìn)行流體分析，獲得了一定轉(zhuǎn)速和偏心率下的軸承水膜壓力分布規(guī)律，研究了水槽結(jié)構(gòu)和槽數(shù)對(duì)水膜壓力與承載力的影響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔導(dǎo)水槽改變了雙軸頸部位水膜壓力分布，梯形截面水槽軸承具有較好的承載力。與無(wú)槽結(jié)構(gòu)相比，直線導(dǎo)水槽使軸頸水膜周向壓力曲線不光滑，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)承載力下降且出現(xiàn)周期徑向波動(dòng)，壓力峰值隨水槽數(shù)量的增加而減小。螺旋型水槽顯著提升了軸承水膜壓力、承載力和平穩(wěn)性，但導(dǎo)水槽螺旋升角增至60°時(shí)，雙軸頸軸向水膜壓力分布出現(xiàn)不均衡。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)軸承；導(dǎo)水槽；水潤(rùn)滑；有限元法

中圖分類號(hào)：TH117.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.07.003

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 07-0015-08

Effects of Outer Rotor Grooves on the Water Film Characteristics of

Double Journal Stepped Cavity Sliding Bearings

WANG Minzhuang1，ZHOU Xianhui1，LIU Tong1，2，QIU Yujiang1，TAO Lifang3

（ 1. School of Intelligent Manufacturing， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473006， China;

2. School of Mechanical and Power Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

3. Henan Feilong （Wuhu） Auto Component Co.， Ltd.， Wuhu 241000， China ）

The outer rotor double journal stepped cavity sliding bearing with grooves is a common structure of electronic water pump bearings. The water film pressure and bearing capacity directly affect the stability and service life of the rotor system. The fluid analysis on the water film characteristics of outer rotor sliding bearings with different grooves is carried out based on the finite element method. The distribution law of bearing water film pressure under a certain speed and eccentricity is obtained. The Influence of structure and number of grooves on water film pressure and bearing capacity are investigated. The results show that the grooves change the water film pressure distribution in the double journal area. The bearing with the trapezoidal cross-section water groove has better bearing capacity. Compared with the grooveless structure， the circumferential pressure curve of the journal water film becomes unsmooth due to the linear groove. The water film bearing capacity decreases and fluctuates periodically along the radial direction. The peak pressure decreases as the number of grooves increases. The spiral groove significantly increases the water film pressure，bearing capacity and stability， but an uneven distribution of axial water film pressure on the double journal appears when the groove spiral angle increases to 60°.

Key words：sliding bearing；water groove；water lubrication；finite element method

電子水泵在新能源汽車及智能熱管理系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。為降低成本、減小摩擦、縮減泵的整體尺寸，目前大部分電子水泵采用外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵結(jié)構(gòu)，水泵葉輪直接設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子上。工作時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)子總成內(nèi)孔與電機(jī)定子芯軸組成的滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)浸泡在防凍液中。與油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承相比，水潤(rùn)滑軸承存在摩擦、磨損、振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題[1]。由于外轉(zhuǎn)子通常為懸臂薄壁結(jié)構(gòu)，極易產(chǎn)生碰摩與共振，使軸承磨損加劇。軸承水潤(rùn)滑性能直接影響水泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命[2-3]。

水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)有多個(gè)軸向?qū)垡蕴峁┯行У睦鋮s和沖洗磨料，導(dǎo)水槽結(jié)構(gòu)和尺寸方面的多樣性常使軸承性能不確定，轉(zhuǎn)子－定子摩擦可導(dǎo)致系統(tǒng)自激振動(dòng)[4]。水膜壓力和承載力是衡量水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承摩擦學(xué)性能與振動(dòng)特性的重要指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了多種研究。Ren[5]研究了導(dǎo)水槽數(shù)量和尺寸對(duì)軸承承載能力、剛度和阻尼的影響。張振華等[6]系統(tǒng)分析了偏心率、半徑間隙、寬徑比等不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承水膜壓力分布及承載力的影響規(guī)律。甘先明等[7-8]提出了一種新型水潤(rùn)滑動(dòng)壓螺旋槽推力軸承。侯高強(qiáng)等[9]分析了混合槽橡膠軸承與帶有T形、V形溝槽的橡膠軸承在水膜壓力方面的差異。王艷真等[10]研究了不同水槽結(jié)構(gòu)、間隙比、長(zhǎng)徑比、直徑等對(duì)艉軸承承載力及水膜壓力的影響規(guī)律。姚博汶等[11]研究表明軸頸橫向偏斜一定程度上會(huì)提高直槽式水潤(rùn)滑橡膠軸承的承載能力。薛恩馳等[12]提出了開(kāi)發(fā)具有傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)的智能水潤(rùn)滑軸承工作狀態(tài)的新理念。綜上可知，當(dāng)前針對(duì)水潤(rùn)滑軸承水膜特性和承載能力的研究主要集中在內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)軸承參數(shù)對(duì)軸承水膜壓力和承載力的影響規(guī)律，關(guān)于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)軸承參數(shù)及導(dǎo)水槽對(duì)軸承水膜特性和承載力規(guī)律的研究還不多見(jiàn)。

本文以電子水泵外轉(zhuǎn)子雙軸頸滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元方法對(duì)外轉(zhuǎn)子軸承水膜特性進(jìn)行仿真分析，研究外轉(zhuǎn)子內(nèi)孔導(dǎo)水槽對(duì)軸承水膜壓力和承載力的影響，以期獲得優(yōu)化的外轉(zhuǎn)子內(nèi)孔導(dǎo)水槽結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)電子水泵滑動(dòng)軸承的水潤(rùn)滑性能，提升滑動(dòng)軸承使用壽命，改善轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

1 水膜分析模型

電子水泵滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)由葉輪轉(zhuǎn)子總成內(nèi)孔與電機(jī)定子芯軸組成，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)轉(zhuǎn)子與葉輪集成后由注塑成型工藝包裹樹(shù)脂形成轉(zhuǎn)子總成，其內(nèi)孔開(kāi)設(shè)導(dǎo)水槽以保證流體的連續(xù)供給和異物排出。芯軸由注塑成型工藝鑲嵌于電機(jī)定子端部，由三段階梯結(jié)構(gòu)組成，其中兩端軸頸與轉(zhuǎn)子內(nèi)孔形成滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，中間軸段為過(guò)渡區(qū)，直徑小，由此形成階梯腔。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子總成內(nèi)孔與芯軸間隙充滿防凍液。為分析電子水泵工作時(shí)滑動(dòng)軸承的水膜特性，首先采用如表1所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立帶有3個(gè)水槽結(jié)構(gòu)的水膜模型，水槽120°圓周均勻分布，如圖2所示。水膜厚度0.05 mm，水槽深度為0.25 mm，水膜內(nèi)壁階梯腔厚度0.5 mm。水膜軸線方向?yàn)閦軸方向，轉(zhuǎn)子總成電機(jī)端面軸向坐標(biāo)z＝0。

流體分析時(shí)，采用ANSYS軟件中的Fluent模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)置水膜模型邊界條件及參數(shù)、模型后處理與數(shù)據(jù)分析。網(wǎng)格劃分時(shí)，由于水膜模型存在水槽與階梯腔，為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，選用非結(jié)構(gòu)化四面體單元。為改善水槽結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)格劃分質(zhì)量的影響，在兩端截面上對(duì)圓弧進(jìn)行邊緣尺寸調(diào)整，分區(qū)數(shù)量設(shè)置為20。由于水膜內(nèi)壁面為靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，因此對(duì)其進(jìn)行面尺寸調(diào)整，單元尺寸設(shè)置為0.2 mm。模型網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)數(shù)295328，單元數(shù)167430。水膜邊界條件設(shè)置時(shí)，將水膜與葉輪轉(zhuǎn)子接觸壁面設(shè)置為外壁面outer，水膜與芯軸接觸壁面設(shè)為內(nèi)壁面inner，兩端截面分別設(shè)置為出水口，壓力分別為p0和p1，回流方向設(shè)置為邊界法向，如圖2所示。

計(jì)算時(shí)將兩端出口壓力均設(shè)置為0.1 MPa，工作環(huán)境為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將水膜流動(dòng)狀態(tài)設(shè)為層流，工作介質(zhì)為水，狀態(tài)繞Z軸旋轉(zhuǎn)。內(nèi)壁面為靜止?fàn)顟B(tài)，外壁面繞Z軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一致。邊界條件設(shè)置完成后，進(jìn)行模型檢查以確保結(jié)果的計(jì)算精度。將設(shè)置的邊界條件應(yīng)用到模型中，F(xiàn)luent自動(dòng)將邊界條件與網(wǎng)格單元相匹配，并計(jì)算該邊界處的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)。最后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格迭代計(jì)算參數(shù)設(shè)置，流體時(shí)間尺度時(shí)間步方法為Automatic，長(zhǎng)度尺度方法為Conservative，迭代次數(shù)為500。

2 水膜壓力分析

2.1 水膜壓力分布

依據(jù)電子水泵結(jié)構(gòu)特征取轉(zhuǎn)子內(nèi)孔偏心率為0.7，水膜轉(zhuǎn)速為628 rad/s，由水膜分析有限元模型計(jì)算得到水膜壓力，利用CFD-Post模塊獲得水膜壓力分布云圖，如圖3所示。

由圖可知，水膜最大與最小壓力出現(xiàn)在雙軸頸處。其中最大水膜壓力為103 700 Pa，最小水膜壓力為95 790 Pa。導(dǎo)水槽區(qū)域的水膜壓力下降且呈現(xiàn)出不連續(xù)狀態(tài)。最大與最小水膜壓力分布區(qū)有最小水膜厚度0.015 mm。水膜在偏心方向上出現(xiàn)壓力峰值，軸承因此具有一定的徑向承載能力。

在軸頸部位的水膜圓周方向上，以水膜厚度最小處為起始點(diǎn)，以逆時(shí)針為正方向，可以觀察到水膜壓力先降到最低值，再連續(xù)增加到最高值。在水膜軸線方向上，由于階梯腔的存在，水膜壓力區(qū)域被分隔在軸頸兩端，階梯腔區(qū)域水膜壓力與出口壓力基本一致。

2.2 周向與軸向水膜壓力

為進(jìn)一步研究水膜壓力分布規(guī)律，在CFD-Post后處理模塊分別提取水膜周向與軸向壓力數(shù)據(jù)。水膜周向壓力分布數(shù)據(jù)提取時(shí)，首先在z＝4.75 mm處的軸頸橫截面上建立平面Plane1，然后建立Plane1與水膜內(nèi)壁的交線Polyline1，并將其設(shè)為周向壓力提取軌跡線。水膜軸向壓力分布數(shù)據(jù)提取時(shí)，在CFD-Post中記錄圓周截面上壓力最大點(diǎn)坐標(biāo)，取三點(diǎn)" （0， 0， 1）、（0， 0， 2）、（-0.00199， -0.00286， 0）建立平面Plane2，然后建立Plane2與水膜外壁的交線Polyline2，并將其設(shè)為軸向壓力軌跡提取線。將提取的水膜壓力數(shù)據(jù)分別以軸頸圓周角和軸向長(zhǎng)度為橫坐標(biāo)，獲得如圖4所示的周向壓力分布和軸向壓力分布曲線。

圖4（a）所示周向水膜壓力分布曲線中，以模型x正方向與圓周交點(diǎn)為起點(diǎn)，沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)定義橫坐標(biāo)圓周角。由圖可知，隨著圓周角度的增大，徑向水膜壓力先增大再減小，水槽附近水膜壓力局部降低。軸向水膜壓力主要分布在芯軸與葉輪轉(zhuǎn)子配合的兩段軸頸上，葉輪側(cè)軸頸上的最大水膜壓力高于電機(jī)側(cè)軸頸上的最大水膜壓力。每段軸頸上軸向?qū)挾人毫尸F(xiàn)拋物線分布，階梯腔處水膜壓力與出口壓力基本一致。綜合可知，電子水泵高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，水被帶入芯軸雙軸頸部位配合面間的楔形間隙內(nèi)形成了流體動(dòng)壓效應(yīng)，水膜層具有一定的承載能力。一定工作載荷下，轉(zhuǎn)子與芯軸偏心時(shí)，雙軸頸可處于液體摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)，軸承摩擦減小。導(dǎo)水槽使軸頸水膜周向壓力曲線不光滑，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)承載力波動(dòng)。

3 導(dǎo)水槽對(duì)水膜特性的影響

3.1 不同轉(zhuǎn)速與偏心率下的水膜壓力

圓弧形截面直線導(dǎo)水槽軸承的水膜壓力分析表明，雙軸頸階梯腔滑動(dòng)軸承水膜在一定的轉(zhuǎn)速和偏心條件下處于動(dòng)壓狀態(tài)，計(jì)算獲得的水膜雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)，因此，模型分析時(shí)將水膜設(shè)為層流狀態(tài)，取偏心率ε＝0.7，對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在3000～6000 r/min范圍的水膜壓力進(jìn)行計(jì)算。取葉輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n＝6000 r/min，計(jì)算偏心率ε在（0.2～0.8）范圍內(nèi)的水膜壓力。提取各條件下水膜在同一位置的周向壓力，獲得圓周上最大壓力與最小壓力值，繪制轉(zhuǎn)速與偏心率對(duì)水膜壓力的影響曲線如圖5所示。分析可知，軸承最大水膜壓力與轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，最大水膜壓力越高；隨著偏心率的增大，水膜最大壓力與最小壓力分別呈非線性增大與減小，當(dāng)偏心率從0.6增至0.8時(shí)，水膜壓力受偏心率影響較大，壓力峰值明顯增加。

3.2 直線型導(dǎo)水槽的影響

為研究直線型水槽對(duì)軸承水膜壓力和承載力的影響，采用改變直槽槽型橫截面形狀和槽數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。取無(wú)槽、圓弧槽、矩形槽與梯形槽橫截面模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各槽型水膜模型在同一位置進(jìn)行周向壓力提取，獲得不同水槽結(jié)構(gòu)時(shí)的水膜壓力曲線如圖6（a）所示。分別計(jì)算水膜在內(nèi)壁x方向與y方向的分力，由分力函數(shù)合成水膜承載力。水槽數(shù)量為3，偏心率為0.7，轉(zhuǎn)速6000 r/min時(shí)無(wú)槽、圓弧槽、梯形槽、矩形槽水膜模型承載力如圖6（b）示。分析表明，與無(wú)槽結(jié)構(gòu)相比，水槽改變了水膜壓力分布曲線的形狀，降低了水膜承載能力。梯形截面水槽水膜承載力稍高于圓弧型截面水槽，但兩者水膜承載力均優(yōu)于矩形截面槽。

取槽數(shù)為0、2、4、6、8、10的圓弧形直槽結(jié)構(gòu)水膜模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)水膜模型在同一位置進(jìn)行周向壓力提取，獲得圓周上最大與最小壓力后，作槽數(shù)－最大最小壓力分布曲線如圖7（a）所示。對(duì)單槽和3槽水膜模型進(jìn)行參數(shù)化仿真，將槽轉(zhuǎn)角設(shè)置為輸入變量，在CFD-Post模塊中，將承載力設(shè)置為輸出變量，得到水膜承載力隨水槽轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系如圖7（b）所示。分析表明，轉(zhuǎn)子內(nèi)孔導(dǎo)水槽使軸承水膜壓力峰值下降，水膜壓力峰值隨水槽數(shù)量的增加而減小，承載力沿徑向等幅波動(dòng)，波動(dòng)頻率與導(dǎo)水槽個(gè)數(shù)相關(guān)。

3.3 螺旋型導(dǎo)水槽的影響

在轉(zhuǎn)子內(nèi)孔表面設(shè)置單螺旋槽，對(duì)不同螺旋升角水槽模型進(jìn)行分析，得到如圖8（a）所示的水膜壓力云圖后，提取水膜壓力作不同螺旋升角時(shí)的水膜周向壓力分布曲線如圖8（b）所示，水膜軸向壓力分布曲線及承載能力對(duì)比如圖8（c）和圖8（d）所示。分析表明，與直槽相比，開(kāi)設(shè)螺旋槽后的軸承周向壓力曲線光

滑，水膜壓力和承載力顯著提高。隨著螺旋升角增加，水膜最大壓力增大。當(dāng)螺旋升角增加至60°時(shí)，軸頸區(qū)域周向水膜壓力曲線最大壓力值顯著減小，最大壓力峰值沿圓周逆時(shí)針?lè)较蚱?。雙軸頸上水膜軸向壓力分布不均衡，工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子具有傾斜的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

開(kāi)設(shè)導(dǎo)水槽的外轉(zhuǎn)子雙軸頸階梯腔電子水泵滑動(dòng)軸承水膜在一定的轉(zhuǎn)速和偏心條件下處于動(dòng)壓狀態(tài)，階梯腔將水膜壓力區(qū)域分隔在軸頸兩端。

（1）軸頸部位水膜壓力與軸承轉(zhuǎn)速線性相關(guān)，偏心率從0.6增至0.8時(shí)水膜壓力峰值非線性升高明顯。

（2）轉(zhuǎn)子內(nèi)孔導(dǎo)水槽改變了雙軸頸部位水膜壓力分布。直線導(dǎo)水槽軸承水膜周向壓力曲線非光滑，壓力峰值隨水槽數(shù)量的增加而減小。與無(wú)槽結(jié)構(gòu)相比，水膜承載力下降且沿徑向周期波動(dòng)。梯形截面導(dǎo)水槽水膜承載力最優(yōu)。

（3）與直線導(dǎo)水槽相比，螺旋型導(dǎo)水槽可顯著提升軸承水膜壓力、承載力和平穩(wěn)性。但當(dāng)螺旋升角增至60°時(shí)，水膜壓力峰值顯著下降，雙軸頸軸向水膜壓力分布不均衡。

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