Thermohydrodynamic performance of twin groove journal bearings considering realistic lubricant supply conditions : a theoretical and experimental study

Abstract

The smooth operation of the power transmission systems found in many transport vehicles and energy production systems is often limited by the reliability of the bearings which support their rotating shafts. Under high shaft speeds and applied loads, hydrodynamic journal bearings may constitute the only acceptable option for the designer. When predicting the performance of journal bearings submitted to severe operating conditions it is crucial to account for the local variation of the temperature and the viscosity field. Furthermore, the lubricant supply conditions such as lubricant feeding pressure and temperature and the actual groove geometry should be treated realistically in the theoretical analysis. The present report describes the work carried out by the author, focused on the theoretical and experimental study of the performance of twin groove journal bearings operating under steady state. A particular emphasis was put on the analysis of the influence of lubricant supply conditions. The work included the development of a Thermohydrodynamic (THD) model for the analysis of the performance of twin groove journal bearings. The model has been based on the simultaneous numerical solution of the generalized Reynolds and Energy equations within the lubricant film and the heat transfer within the bush body. Special care was taken in the treatment of the phenomena taking place in the vicinity of feeding grooves and the modeling of the ruptured film region. Test programs were carried out at the Laboratory of Tribology and Machine Elements of the University of Minho (LOMT) and at the Laboratory of Solid Mechanics of the University of Poitiers (LMS). The scope of these tests was, on one hand, to provide the scientific community with a wealth of experimental results spanning a wide range of supply conditions and providing an extensive discussion of the phenomena involved. On the other hand, the test programs would allow the validation and refinement of the theoretical model.

O bom funcionamento de muitos sistemas de transmissão de potência em veículos de transporte e em sistemas de produção de energia está frequentemente condicionado pela fiabilidade das chumaceiras que suportam os seus veios rotativos. Em situações onde estão envolvidas velocidades de rotação e cargas elevadas, as chumaceiras radiais hidrodinâmicas podem constituir a única alternativa aceitável para o projectista. Na previsão do desempenho de chumaceiras submetidas a condições de funcionamento severas, torna-se necessário entrar em linha de conta com a variação local dos campos de temperatura e viscosidade. As condições de alimentação (pressão e temperatura de alimentação, geometria dos sulcos) devem também ser tidas em consideração na formulação do modelo teórico. A presente dissertação descreve o programa de trabalhos levado a cabo pelo autor no âmbito de um projecto FCT que se dirigiu ao estudo teórico-experimental do desempenho de chumaceiras com dois sulcos de alimentação axiais funcionando em regime estacionário, tendo sido posto um ênfase particular no estudo da influência das condições de alimentação. Os trabalhos incluíram o desenvolvimento de um modelo termohidrodinâmico (THD) para a previsão do desempenho deste tipo de chumaceiras. Este modelo foi baseado na solução numérica simultânea da equação de Reynolds generalizada, da equação da energia no filme lubrificante e da equação de transmissão de calor através do casquilho. Foi posto um particular cuidado na modelação dos fenómenos que ocorrem na região dos sulcos de alimentação e do fenómeno de ruptura de película. Foi levado a cabo um programa de testes laboratoriais realizado no Laboratório de Órgãos de Máquinas e Tribologia da Universidade do Minho (LOMT) e no Laboratório de Mecânica dos Sólidos da Universidade de Poitiers (LMS). A realização deste programa de testes teve como objectivo, por um lado, a disponibilização de um conjunto de resultados experimentais com uma ampla gama de variação das condições de alimentação e o respectivo estudo dos fenómenos envolvidos. Por outro lado, a realização do programa de testes teve também em vista a validação e o refinamento modelo teórico desenvolvido.