Säteisliukulaakerin elastisten ja termisten muodonmuutosten mallinnus ja analysointi

Abstract

Hydrodynaamisesti voideltuja liukulaakereita käytetään yleisesti raskaassa teollisuudessa ja polttomoottorisovelluksissa liikkuvien koneenosien laakerointiin. Erilaisten laakeroitujen koneenosien tehotiheyttä halutaan jatkuvasti kasvattaa, jonka seurauksena kuormitukset laakerissa kasvavat ja voitelukalvon paksuus pienenee. Liukulaakerin suorituskykyä voidaan tehostaa niiden hybridirakenteen avulla. Edellä mainitun kehityksen myötä laakerissa voi esiintyä huomattavia, toimintaan vaikuttavia muodonmuutoksia, joiden hallinta laakerimitoituksen yhteydessä on oleellista. Työn keskeinen tavoite oli kehittää parametrisoitu laskentamalli säteisliukulaakereille, joka ottaa huomioon akselin ja laakerikonstruktion elastiset ja termiset muodonmuutokset. Laskentamalli toteutettiin laskemalla elementtimenetelmällä elastiset ja termiset deformaatiot akseli- ja laakeripinnoilla käyttäen lähtöarvona paine- ja kitka-voimajakautumia, jotka laskettiin Reynoldsin yhtälön numeeriseen ratkaisuun perustuvalla hydrodynamiikkamallilla. Akselin ja laakerien elementtiverkot muodostettiin työssä kehitetyllä ohjelmalla Matlab-ympäristössä. Verkon kokoa ja numerointia voitiin täten kontrolloida tarkasti laskenta-ajan tehostamiseksi. Samalla luotiin hyvät edellytykset elementtimallin integroimiseksi hydrodynamiikkamalliin. Mallinnustapa todettiin toimivaksi. Sillä saadut tulokset vastasivat kirjallisuusselvityksessä tehtyjä havaintoja ja laskenta-aika pysyi myös kohtuullisena. Kehitetyllä laskentamallilla analysoitiin yliopiston liukulaakerikoelaitteen laakerikonstruktion deformaatioiden käyttäytymistä eri kuormitustilanteissa. Hydrodynaaminen paine sai aikaan paikallisia muodonmuutoksia akseli- ja laakeripinnoilla, sekä laajemmassa mittakaavassa laakerin tukirakenteissa. Kitkalämmöstä aiheutuva lämpölaajeneminen aiheutti myös akseli ja laakeripinnoille termistä deformaatiota, joka oli perusluonteeltaan tasaisempaa kuin painekuormituksen aiheuttama deformaatiopiikki. Painekuormituksen aiheuttama deformaatio ja lämpölaajenemisesta johtuva deformaatio olivat laakerin kuormitetulla puolella vastakkaissuuntaisia ja kompensoivat osittain toisiaan. Raskaasti kuormitettujen laakerien tapauksissa molemmat deformaatiokomponentit on otettava huomioon laakerin hydrodynamiikan laskennan yhteydessä.

Journal bearings are widely used in heavy industry and in internal combustion engine applications. There is a need to increase the power density of various machine parts which leads to increased bearing loads and reduced lubrication film thicknesses. The performance of journal bearings can be improved by using hybrid bearing structures. This type of development may lead to significant deformations on the bearing surfaces which need to be considered in the bearing design process. The main purpose of this Master’s thesis was to develop a parameterized calculation model for radial journal bearings which takes into account elastic and thermal deformations of the bearing surfaces. The calculation model was executed by calculating elastic and thermal deformations of the bearing and shaft surfaces by using the finite element method. Results from the hydrodynamic calculations which were based on Reynolds equation were used as an input data. Finite element model then produced displacement results at bearing and shaft surfaces. Bearing and shaft were calculated separately and the meshing of components was done in Matlab using the method developed in this thesis work. This was done in order to achieve full control over mesh parameters. Also it was beneficial for the future integration of the finite element model and the hydrodynamic model. This method of modelling proved to be effective. Results from the model corresponded well with the findings done in the literature study. The CPU-time of the model also remained reasonable. Deformations of the bearings of the university’s sliding bearing test rig were analyzed in different operating conditions using the developed model. Hydrodynamic pressure of the lubrication film caused local deformations to shaft and bushing surfaces and global deformations to bearing structures. Thermal load of a bearing also caused thermal deformations to bearing and shaft surfaces due to thermal expansion. Thermal deformation was more evenly distributed to the bearing surfaces compared to the mechanical deformation. It was observed that deformations caused by hydrodynamic pressure and thermal dilatation at the loaded side of the bearing were in the opposite directions and therefore they partly compensated each other. In the case of heavily loaded bearing both types of deformation need to be considered in the design process.