表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (5): 641-652 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138

摩擦学与表面/界面技术

表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究

高羡明(

),牛金召,蔡志祥,任晓松

陕西科技大学机电工程学院，陕西西安 710021

Study on influence of surface texture on lubrication characteristics of liquid sodium hybrid plain bearing

Xianming GAO(

),Jinzhao NIU,Zhixiang CAI,Xiaosong REN

College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi'an 710021, China

全文: PDF(5978 KB) HTML

摘要：

随着二回路主循环泵不断朝大容量、高负荷的方向发展，对其关键承载部件——液钠动静压滑动轴承（简称液钠轴承）的润滑特性提出了更高的要求。为了进一步提升液钠轴承的润滑特性，通过数值模拟和试验相结合的方法研究了表面织构对其润滑特性的影响。首先，设计了圆形、正方形和菱形三种不同形状的表面织构，在对液钠轴承摩擦副模型进行简化后，采用数值模拟方法分析了3种表面织构在不同深度和不同间距下所呈现的润滑特性。然后，探究了激光加工参数对表面织构制备的影响，并制备了带有不同形状、不同间距表面织构的摩擦副试样，用于开展摩擦磨损试验。最后，对计入表面织构的液钠轴承模型进行了分析。结果表明：不同形状的表面织构均存在最优深度和间距，其中菱形织构在无量纲深度为2、间距为1.4 mm时具有最佳的润滑特性；计入菱形织构后液钠轴承的承载力和刚度系数分别提升了16.7%和9.3%，摩擦系数降低了13.1%。研究结果对二回路主循环泵及钠冷快堆系统的安全可靠运行具有重要意义，可为同类轴承的优化设计和国产化提供重要参考。

关键词： 液钠动静压滑动轴承; 表面织构; 摩擦磨损; 润滑特性

Abstract:

As the secondary loop main circulation pumps progress towards larger capacity and higher loads, higher requirements are placed on the lubrication characteristics of its key load-bearing component, which is the liquid sodium hybrid plain bearing (referred to as liquid sodium bearing). To further improve the lubrication characteristics of liquid sodium bearing, the influence of surface texture on its lubrication characteristics was studied through the combination method of numerical simulation and test. Firstly, the surface textures with circular, square and rhombic shapes were designed. After simplifying the friction pair model of liquid sodium bearing, the lubrication characteristics of three surface textures under different depths and different spacing were analyzed by numerical simulation method. Then, the influence of laser processing parameters on the surface texture preparation was explored, and the friction pair specimens with surface textures of different shapes and different spacing were prepared for friction and wear testing. Finally, the liquid sodium bearing model incorporating surface textures was analyzed. The results indicated that the surface textures with different shapes had optimal depth and spacing, and the rhombic texture had the best lubrication characteristics when the dimensionless depth was 2 and the spacing was 1.4 mm. After incorporating rhombic textures, the bearing capacity and stiffness coefficient of liquid sodium bearing increased by 16.7% and 9.3%, respectively, and the friction coefficient decreased by 13.1%. The research results are of great significance for the safe and reliable operation of secondary loop main circulation pumps and sodium-cooled fast reactor systems, and can provide important reference for the optimization design and localization of similar bearings.

Key words: liquid sodium hybrid plain bearing surface texture friction and wear lubrication characteristics

收稿日期: 2024-05-07 出版日期: 2024-10-30

CLC:

TH 133.31

基金资助: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51905328)

作者简介: 高羡明（1984—），男，讲师，博士，从事旋转机械动力学特性及可靠性、结构优化设计等研究，E-mail: gaoxianming@sust.edu.cn，https://orcid.org/0009-0001-5720-8035

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高羡明,牛金召,蔡志祥,任晓松. 表面织构对液钠动静压滑动轴承润滑特性的影响研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(5): 641-652.

Xianming GAO,Jinzhao NIU,Zhixiang CAI,Xiaosong REN. Study on influence of surface texture on lubrication characteristics of liquid sodium hybrid plain bearing[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(5): 641-652.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.04.138 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I5/641

图1 单个圆形织构的流体域模型及其边界条件

图2 单个圆形织构流体域移动壁面的压力云图

图3 液钠轴承结构

图4 反馈腔与静压油腔的对应关系

表1 液钠轴承的结构参数

图5 计入表面织构的液钠轴承模型

图6 简化后的摩擦副模型

图7 3种不同形状的表面织构模型

图8 圆形织构的结构参数

图9 正方形织构的结构参数

图10 菱形织构的结构参数

图11 表面织构无量纲深度对润滑特性的影响

图12 不同无量纲深度下表面织构中心截面的压力分布

图13 H=2.0时圆形织构流体域移动壁面的压力云图

图14 H=2.0时正方形织构流体域移动壁面的压力云图

图15 H=2.0时菱形织构流体域移动壁面的压力云图

图16 不同间距下表面织构中心截面的压力分布

图17 表面织构间距对润滑特性的影响

图18 L=1.2 mm时圆形织构流体域移动壁面的压力云图

图19 L=1.4 mm时正方形织构流体域移动壁面的压力云图

图20 L=1.4 mm时菱形织构流体域移动壁面的压力云图

图21 销-盘式往复摩擦磨损试验原理

表2 摩擦磨损试验方案

表3 激光加工参数探究试验方案

图22 不同间距下的圆形织构

图23 不同间距下的正方形织构

图24 不同间距下的菱形织构

图25 Rtec-MFT5000多功能摩擦磨损试验机

图26 带有圆形织构的摩擦表面的摩擦系数

图27 带有正方形织构的摩擦表面的摩擦系数

图28 带有菱形织构的摩擦表面的摩擦系数

表4 计入表面织构前后液钠轴承的润滑特性对比

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