為了給旋轉軸或軸承頸提供足夠的支撐，需要選擇一個具備合適載荷能力的液體動壓軸承設計。如果施加的載荷超過軸承設計的上限，將導致過度磨損和不穩定。“轉子動力學模塊”是 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品，它支持比較不同類型液體動壓軸承的承載能力，從而為具體的應用選擇最合適的液體動壓軸承。

選擇合適類型的液體動壓軸承

液體動壓軸承是一種液壓軸承，主要功能是支撐電動機、汽輪機等各種工業應用中的轉子。具體用途是支撐重載，以及利用加壓流體（例如油或氣）來減少滑動摩擦和振動，所以它能夠延長轉子的使用壽命，保證轉子安靜平穩地運轉，因此得到了廣泛應用。在液體動壓軸承內，流體增壓通過“泵送效應”實現。軸承頸快速抽動，通過軸承頸和軸承之間的間隙的收斂段泵送流體，從而實現泵送效應。

汽輪機是液體動壓軸承在工業中的應用之一。圖像由 Siemens Pressebild 提供，在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過 Wikimedia Commons 共享。

為了保證液體動壓軸承的高效運轉，其承載能力必須考慮應用的實際要求。照此看來，工程師應當了解不同類型的液體動壓軸承如何對載荷作出反應，并據此選定正確的設計。“轉子動力學模塊”提供了分析所需的各種特征和功能。

模擬各式液體動壓軸承的性能

本文的分析比較了八種不同的液體動壓軸承。液體動壓軸承可劃分為四種類型：

滑動軸承

橢圓滑動軸承

對開軸承

多油葉軸承

前三種軸承只有一種配置。多油葉軸承則有五種不同的配置，其中包括：

一個雙油葉軸承

兩個三油葉軸承

兩個四油葉軸承

值得注意的是，三油葉軸承和四油葉軸承的配置在與靜態載荷的相對方向這一方面存在差異。前一種配置的靜態載荷作用在瓦的中心，因此被稱作載荷作用在瓦上（load on pad，簡稱 LOP）；后一種配置的載荷作用在兩個瓦之間，被稱作載荷作用在瓦間（load between pad，簡稱 LBP）。

在軸頸軸承內，軸承頸以角速度 Ω (rad/s) 旋轉。軸承頸是通過這種方式保持靜態的：水平方向的流體膜產生的凈力為零，這種力同樣在垂直方向上抵消了軸承頸的重力 W。

各種軸承配置。從左到右，上面一行是滑動軸承、橢圓滑動軸承、對開軸承和雙油葉軸承，下面一行是三油葉 LOP 軸承、三油葉 LBP 軸承、四油葉 LOP 軸承和四油葉 LBP 軸承。

為了執行計算，我們需要引入下列參數：

動力粘度

空化壓力的密度

壓縮率

下表概述了此仿真中使用的參數值，它們與現實中軸承使用的潤滑油的參數值大致相同。

仿真結果分析

首先，為了了解壓力分布，我們看一看各類軸承中的流體膜壓力分布。

滑動軸承、橢圓滑動軸承、對開軸承、雙油葉軸承、三油葉 LOP 軸承、三油葉 LBP 軸承、四油葉 LOP 軸承和四油葉 LBP 軸承中的壓力分布。

在流體膜內部，壓力在收斂段處增大，在相鄰的發散段快速下降。為了方便研究三維繪圖顯示的結果，我們將圓柱體的表面展開為矩形，并繪制了二維圖像。下圖清晰地表明，軸承的間隙形狀對流體膜的壓力分布影響甚大。

各類軸承的流體膜內的壓力分布；x 軸代表圓周方向，y 軸代表軸向。

在下圖中，我們比較了不同載荷下軸承頸的偏心率。偏心率越小，對軸承頸越有利。繪圖顯示，在運行范圍內，偏心率最理想的軸承頸是對開軸承和三油葉 LBP 軸承。一旦載荷大于 5000 N，四油葉 LOP 軸承的偏心率最高，四油葉 LBP 的偏心率最低。

接著我們看一看，當軸承承受不同的靜態載荷時軸承頸的平衡位置。軸承頸的 y 坐標位置繪制在 x 軸上，z 坐標位置繪制在 y 軸上。由于軸承頸位置與所施加載荷大小的關系已知，所以我們還可以在繪圖中看到二者的影響效果。

如果載荷較小，軸承頸的平衡位置傾向于主要沿 y 軸方向移動，且在 z 軸方向有小幅度移動。載荷變大時，軸承頸快速地沿 z 軸負方向移動。超過載荷上限后，軸承頸開始碰觸到軸承的底部。這決定了軸承的承載力上限。該曲線有助于我們確定對于給定的軸承頸偏心率，保證軸承安全運轉的極限載荷。

最后，我們來分析參考狀態（軸承頸與軸承同軸）和平衡狀態（軸承頸偏離軸承中心以平衡給定的靜態載荷）下的流體厚度分布。在本文中，按照幾何參數的定義，所有軸承在參考狀態下擁有相同的最小間隙和最大間隙。唯一的例外是滑動軸承，在平衡狀態下的間隙是始終不變的，且等于其他軸承的最小和最大間隙的平均值。在載荷狀態下，所有軸承的最小間隙大約相等，且方位坐標相同。不過，對于不同的軸承，不同方位坐標對應的最大間隙差別很大。

參考狀態（左）和平衡狀態（右）下的流體厚度分布