考虑黏-温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：盛明辉，黄千稳，赵泽宇考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析润滑与密封，（）：，（）：基金项目：国家自然科学基金项目（；）收稿日期：；修回日期：作者简介：盛明辉（），男，硕士研究生，研究方向为轴承流体润滑。：。通信作者：黄千稳（），男，博士，副教授，研究方向为机械动力学与摩擦学。：。考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析盛明辉 黄千稳，赵泽宇（武汉科技大学机械自动化学院 湖北武汉；武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室 湖北武汉）摘要：在低速重载条件下，温度升高导致的润滑油黏度下降以及局部压力过低产生的油膜空穴，严重影响到油膜压力与承载力等润滑性能。为探究考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能，通过编写黏温方程的 程序，建立滑动轴承的 有限元模型，考虑 多相流模型的空穴效应，系统计算轴承油膜在不同工况下的润滑性能，分析对比偏心率、轴系转速以及黏温效应的影响作用。结果表明：考虑黏温效应条件下的油膜最大压力、最大温度、承载力以及空穴区域气穴最大体积分数均小于黏度恒定的情况，轴系转速和偏心率的增大会导致空穴区域最大体积分数的增加。关键词：黏温效应；空穴效应；低速轴承；油膜润滑；多项流模型中图分类号：，（，；，）：，：；油润滑滑动轴承因其良好的传递性能被用于多种旋转机械中，而低速油润滑滑动轴承多被应用于一些工况较为复杂、运行环境潮湿等场合，例如大型船舶推进轴系、大型轮机轧辊轴等。油润滑滑动轴承油膜润滑性能受润滑油黏度影响较大，温度的升高使得润滑油黏度下降，使得油膜局部破坏，从而导致油膜整体承载力降低，因此对于滑动轴承的分析考虑润滑油黏温效应十分重要。同时油润滑滑动轴承在实际运行过程中，由于局部压力过低而产生的气穴对区域的润滑状态和接触条件影响较大，因此考虑空穴效应，在气液两相流下进行油膜润滑状态的分析更符合实际。随着计算流体力学的发展和计算机技术的提高，基于仿真技术下滑动轴承润滑性能的研究逐渐开展起来，研究人员在不同工况下对油润滑滑动轴承的润滑性能分析开展了大量工作。由于黏温效应和空穴效应对滑动轴承润滑性能影响较大，国内外学者为此展开了大量研究。等运用气液两相流模型分析了滑动轴承的润滑特性。郭胜安等基于 方法在不同结构参数下分析了动静压轴承的刚度以及温升的变化。裴振英和张旭在 软件中利用多相流模型研究不同转速以及不同偏 心 率 下 油 膜 压 力 和 油 膜 空 穴 的 分 布 情 况。等采用数值和实验结合的方法研究了小型滑动轴承的黏性加热问题并把结果以速度、间隙以及多孔或非多孔轴承的函数形式给出。张磊等人利用其自主研发的润滑分析软件 求解了 方程和黏温方程，得到了正常工况下椭圆瓦、错位瓦轴承运行的关键参数并分析了轴心轨迹和油膜压力变化。朱桂香等通过数值方法分析了不同工况下空穴效应对滑动轴承润滑性能的影响，结果表明空穴效应对径向滑动轴承润滑性能的影响不一定都是有利的。王琳等人在考虑两相流情况下，分析了弹性变形对高速织构滑动轴承热流体润滑性能的影响。王丽丽等利用 软件在考虑黏温效应下分析了油膜压力、温度分布以及承载力变化，并与定黏情况得到的计算结果对比分析。以上作者在对滑动轴承润滑性能进行分析时，仅单一考虑黏温效应或空穴效应，并没有同时考虑二者对轴承润滑性能的影响，其得到的计算结果与滑动轴承实际工作状况有一定的出入。滑动轴承在不同工况下工作时，油膜的温度分布以及产生的空穴效应情况会随之变化，轴承润滑性能受影响较大。本文作者在计入空穴效应下，使用 平台下 通过编写的黏 温方程 （）程序进行滑动轴承润滑油的黏度计算，分析不同转速、不同偏心率下考虑黏温效应时滑动轴承油膜压力分布、油膜空穴区域分布、油膜温度分布以及油膜承载力的变化情况并与黏度恒定时的计算结果进行对比。控制方程 气液两相流控制方程在实际运行过程中，由于负载和温升的影响，油膜会产生气泡，形成气液两相润滑状态。由于空穴改变了流体流场的性质，其控制方程由单相流流动变为了包含原流体和空气流体耦合的两相流流动情况。两相流流动情况可以通过以下连续性方程、运动方程以及组分质量守恒方程描述。（）连续性方程：根据质量守恒定律，推导考虑气液两相流流体流动连续性方程为（）（）（）其中，。式中：为时间；为气液两相混合密度；为速度矢量；、为气液两相体积分数。（）运动方程：根据动量定理得到流体的运动方程为（）（）（）（，）（）其中，。式中：是相的数目；是控制体所受到的外部体积力；为气液两相的混合黏度；，为 相的滑移速度；为控制体所受压力；为重力。（）组分质量守恒方程：（）（）（，）（）（）式中：、分别指液体和气体；为气相的体积分数；，为气相滑移速度；为气液质量转换速度。黏温方程对于油润滑轴承，温度的升高会使得流体区域液体发生膨胀，从而产生气体分子导致润滑油黏度的降低，因此黏温效应对油膜的润滑特性影响重大。文中采用常用的雷诺黏温关系式：（）（）式中：为温度 时的动力黏度；为温度为 时的动力黏度；为供油温度；为黏温指数。是 中的一个用户接口，用户可以通过它与 模块的内部数据进行交流。由于 中没有内置黏温方程的计算模型，因此文中通过 中所自带的用户自定义函数（）接口将编译好的黏温方程导入 中进行黏度的计算。模型的建立及求解设置 模型基本参数图 所示为滑动轴承模型，为轴瓦中心，年第 期盛明辉等：考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析 为轴颈中心，为偏心距。其主要参数如表 所示，偏心距 与径向间隙 的比值即为偏心率。图 滑动轴承模型 表 滑动轴承基本参数 轴承参数取值轴颈半径 轴承长度 径向间隙 油膜密度 （）轴颈转速 （）偏心率 动力黏度 （）几何模型建立及网格划分根据表 的轴承参数使用 软件进行油膜三维模型的建立，设置油膜初始偏心率为。将模型导入计算流体力学 模块中 单元进行网格划分，网格的质量直接决定计算速度和计算结果的精度。由于进油口区域难以处理，因此在模型预处理阶段进行 操作，分别对进油口和油膜部分进行网格划分。设置网格重叠面为，在 中设置网格耦合条件后进行计算。油膜出油口区域设置 层网格，最终确定网格数量。图 油膜网格 边界条件和求解设置假设润滑油膜介质为不可压缩流体；使用可以考虑油膜空化效应的质量守恒边界条件，计算时引入 多相流模型并使用 全空穴模型模拟流场中的空穴效应，润滑油空穴压力值 ；开启能量方程以考虑油膜温度变化；所考虑的黏温效应，通过编写的 程序导入 中完成，润滑油比热容为 （），热导率设置为 （）。对于流体部分：压力入口的初始压力为 ，入口温度为 ；压力出口的压力设置标准大气压，出口温度 ；油膜内壁设置旋转壁面，以偏心中心为旋转中心，初始转速 ；将进油口和油膜交接部分设置网格耦合交界面。模型验证 网格无关性验证为验证文中网格数量合适，在求解前需要对网格数量进行无关性验证。按照相同的边界条件，分别在以下 种网格数量下得到油膜压力和油膜承载力，结果如表 所示。表 不同网格数量下油膜压力及承载力 参数 最大油膜压力（定黏）最大油膜压力（黏温）承载力（定黏）承载力（黏温）可以看出，在较大或者较小网格数量下计算得到的结果与文中所选择网格数 下的结果差距较小，结合计算机实际计算效率选取网格数 是合适的。模型可靠性验证为验证文中仿真模型的可靠性，结合文献中相关具体参数，在考虑黏温效应时，利用文中建模方法以及仿真计算过程进行计算并与文献所计算结果进行对比，如表 所示。表 模型验证对比数据 参数文献文中模型偏差最大油膜压力 油膜承载力 最大油膜温度 润滑与密封第 卷 同时，利用文中建模方法以及计算过程所得到的油膜温度分布在轴向上表现为由油膜中间位置往两端逐渐升高，与文献中的结果相对吻合。在油膜压力分布上，由于文中使用全空穴模型模拟油膜空穴效应，在对油膜负压区域的求解结果上具有一定的区别，但油膜压力分布特征类似。因此文中所使用的建模方法和计算过程相对可靠。结果及分析 定黏与变黏情况下油膜润滑特性分析在考虑空穴效应下，分析定黏情况与考虑黏温效应的油膜压力分布，结果如图 所示。可以看出：压力沿着主轴旋转方向呈梯度分布，最大压力分布集中在油膜收敛区域，即按旋转周向靠近进油口区域。负压区是油膜的发散区，表现为在实际情况下由于离心力的作用导致润滑油向外流动，油膜破裂呈现负压，其在真实情况下压力值为。最大油膜压力在考虑黏温效应时为 ，较定黏情况下的 减小 ；考虑黏温效应时的油膜承载力为 ，较定黏情况下的 减小 。这是由于温度的升高导致润滑油黏度降低，从而使得最大油膜压力和油膜承载力减小。图 油膜压力云图 ：（）；（）图 所示为定黏情况和考虑黏温效应时的润滑油膜空穴云图。考虑黏温效应时润滑油在空穴区域有着较小体积分数的空穴，最大体积分数为 ，较定黏情况下的最大体积分数 低 。黏度对于空穴区域的影响主要是因为黏度的降低会使得润滑油黏附性减小，并且导致油膜压力分布产生一定变化，且空穴的形成主要就是因为流体区域压力低于液体的饱和压力。润滑油膜温度分布云图如图 所示。可以看出，低速滑动轴承油膜温度分布在轴向以进油口为中心轴向对称且往两端温度逐渐升高。考虑黏温效应时，油膜的轴向温度梯度变化和轴向温度升高速度在轴颈中部高于定黏情况，在轴颈端部低于定黏情况；油膜最大温度较定黏情况下低；进油口周向温度分布较定黏情况呈现较明显的温度梯度变化，按主轴旋转方向梯度升高，周向最大温度出现在油膜收敛区端部。图 油膜空穴云图 ：（）；（）图 油膜温度分布云图 ：（）；（）年第 期盛明辉等：考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析 不同转速下油膜润滑特性分析在实际运行过程中，转速对润滑油油膜特性的影响较大。文中就初始边界条件下只改变转速，在考虑空穴效应下，对比分析定黏和考虑黏温效应时转速对油膜润滑特性的影响。图 所示为不同转速下定黏与考虑黏温效应时油膜进油口周向压力分布，图示进油口即滑动轴承进油口位置，箭头所指为主轴旋转方向。随着转速的提高，油膜最大压力逐渐增大，油膜负压区（图示 处）也逐渐增强。定黏时负压区较考虑黏温效应时其延展区域随转速增加而更大，这表明油膜黏度恒定时，转速的提高会使得轴承磨损加剧和磨损范围的更大。图、图 所示分别为定黏和考虑黏温效应时不同转速下油膜空穴区云图，图 所示为不同转速下空穴区域气穴最大体积分数对比。图 不同转速下油膜进油口周向压力分布 图 定黏时不同转速下油膜空穴云图 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）图 考虑黏温效应时不同转速下油膜空穴云图 ：（）；（）；（）；（）；（）；（）润滑与密封第 卷图 不同转速下气穴最大体积分数 从图、可以发现，随着转速的提高，油膜空穴现象更为明显，油膜空穴区域逐渐集中后变成沿转速方向的“舌”形，这一形状的变化也表明不同转速下轴承磨损区域的变化。如图 所示，随转速的提高，定黏情况下空穴区域较考虑黏温效应拥有更大气穴最大体积分数。图 所示为不同转速下油膜轴向温度分布，选取轴向区域为油膜横切面即油膜收敛区，图 （）右上角箭头位置处是由于边界条件设置，实际应为上升状态。图 所示为油膜进油口周向温度分布，箭头方向为旋转方向。可以发现，沿轴向和周向的温度均随转速的增加而升高。从图 （）可看出，随转速的提高，轴向上考虑黏温效应时轴颈中间段油膜的温升速度更快于定黏情况，轴颈两端的油膜温升速度较定黏更慢。图 示出了在定黏和考虑黏温效应时油膜承载力随转速的变化。可以发现，随着转速的提高，油膜承载力逐渐增大但增速略微减慢，且考虑黏温效应时的油膜承载力较定黏情况下更小。图 不同转速下油膜轴向温度分布 图 不同转速下油膜进油口周向温度分布 图 不同转速下的油膜承载力 不同偏心率下油膜润滑特性分析油润滑滑动轴承由于外部激励和负载的影响，在实际运转过程中，其偏心率往往较大。文中就初始边界条件下仅改变轴颈偏心率，在考虑空穴效应下，对比分析定黏和考虑黏温效应时不同偏心率对油膜润滑特性的影响。图 所示为不同偏心率下考虑定黏与黏温效应时油膜进油口周向压力分布，图示进油口即轴承进油口位置，主轴旋转方向即从进油口往右。可以看出，随着偏心率的增大，油膜最大压力逐渐增大；油膜负压区（图 中 处）最大负压随偏心率的增大变化较缓慢，这是因为负压区实际为油膜破裂区，偏心率的增大使得油膜破裂加重。随着偏心率的增大，油膜进油口周向最大压力点位置（图中 五点）发生变化，逐渐沿主轴旋转方向移动。同时，可以看出考虑黏温效应时与定黏情况下的油膜进油口周向负压区分布区别不大，这是因为随着偏心率的 年第 期盛明辉等：考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析 增大，油膜破裂加剧，破裂区空气占比远大于润滑油液，负压区的变化受润滑油黏度的影响变小。图、所示分别是考虑定黏和考虑黏温效应时不同偏心率下油膜空穴区云图。可知，随着偏心率的增大，油膜空穴区域由椭圆形状逐渐变成沿主轴旋转方向的宽长舌型，油膜空穴的气穴体积分数增大明显，这表明油膜破裂区逐渐增大，轴承磨损加剧，且考虑黏温效应时的空穴区域较定黏更为集中。图 所示是不同偏心率下空穴区域气穴最大体积分数。可以发现，随着偏心率的增大，油膜破裂区磨损加剧，油膜空穴区域气穴体积分数占比较大，空气占比远大于润滑油液，空穴区域润滑油黏度对空穴的影响随之降低。图 不同偏心率下油膜进油口周向压力分布 图 定黏时不同偏心率下油膜空穴云图 ：（）；（）；（）；（）；（）图 考虑黏温效应时不同偏心率下油膜空穴云图 ：（）；（）；（）；（）；（）润滑与密封第 卷图 不同偏心率下气穴最大体积分数 图 所示为不同偏心率下油膜轴向温度分布，选取轴向区域为油膜横切面即油膜压力收敛区，图中 区域的温度是选取截面的轴向温度，实际油膜最大温度位于收敛区端面且定黏情况下较考虑黏温效应时略大。图 所示为油膜进油口周向温度分布，箭头方向为旋转方向。可以看出，在轴向上的温度分布表现为由油膜中心处向两端逐渐升高；在进油口周向表现为沿旋转方向逐渐增高。图 中点、是同一偏心率下考虑定黏与考虑黏温效应时在轴向上温度等同点，可以看出考虑定黏时在油膜中间位置温升速度大于考虑黏温效应时，在油膜两端低于考虑黏温效应时。图 示出了定黏和考虑黏温效应时油膜承载力随偏心率的变化。可以发现，随着偏心率的增大，油膜承载力逐渐增大但增速减缓，且考虑黏温效应时的油膜承载力较定黏情况下更小。图 不同偏心率下油膜轴向温度分布 图 不同偏心率下油膜进油口周向温度分布 图 不同偏心率下的油膜承载力 结论在考虑空穴及黏温效应下对低速滑动轴承润滑性能进行分析，得到以下结论：（）在计入空穴效应时，考虑黏温效应时的油膜最大压力、最大温度、承载力以及空穴区域气穴最大体积分数都较定黏情况计算的结果更小，这是由于温度的升高导致黏度降低，使得油膜压力和承载力减小，空穴区域润滑油黏附性降低使得气穴最大体积分数减小，黏度的下降反过来影响油膜最大温度。（）油膜的温度分布在轴向上表现为由油膜中间位置向两端逐渐升高；在周向上表现为沿旋转方向升高。考虑黏温效应时的油膜整体最大温度较定黏时更低，但在周向上的最大温度较定黏大。（）随着转速的增大，考虑黏温效应时空穴区域气穴最大体积分数与定黏时的差值更大，且空穴区域较定黏也更小；偏心率的增大会使得空穴区域最大 年第 期盛明辉等：考虑黏温及空穴效应的低速滑动轴承润滑性能分析 体积分数增大明显，由于空穴区域气体占比较大，因此在较大偏心情况下黏度的变化对空穴的影响较小。参考文献 ，：，（）：，：谢翌，张博，胡玉梅，等轴颈转速对滑动轴承油膜特性及轴瓦结构特性的影响润滑与密封，（）：，（）：刘俊波重载低速滑动轴承润滑机理及应用研究济南：山东大学，：，（）：张洪彬，郭红，李瑞珍，等低速大偏心滑动轴承润滑状态转变及特性分析机械传动，（）：，（）：，（）：郭胜安，侯志泉，熊万里，等基于 的深浅腔液体动静压轴承承载特性研究制造技术与机床，（）：，（）：裴振英，张旭基于 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