椭圆形液体润滑轴承承载特性的研究.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:太原重工油膜轴承分公司科技发展计划项目()作者简介:郭强()男高级工程师主要研究方向为液体动力润滑轴承椭圆形液体润滑轴承承载特性的研究郭 强(太原重工油膜轴承分公司太原)摘 要:对液体润滑轴承的承载原理进行了研究同时利用 仿真技术对椭圆形液体润滑轴承的承载机理、各项性能参数和圆形轴承做了对比分析 对于一些特殊的低速重载的油膜轴承使用工况采用椭圆形液体润滑轴承能够提升承载能力使油膜轴承有更高的安全系数 对于低速重载轴承利用 仿真计算难点在于高偏心率油膜流体域的离散化通过对油膜流体域的几何模型多次分割攻克了高偏心率油膜流体域网格划分的技术难题能够生成偏心率.以下的油膜流体域高质量网格能够在流体仿真计算中得到很好的收敛 通过对椭圆形液体润滑轴承承载机理研究可以用椭圆形液体润滑轴承在一些场合下替代圆形轴承一些国外钢厂已经在低速重载工况下使用了椭圆形液体润滑轴承提高轴承的承载能力和安全系数关键词:液体润滑轴承椭圆形液体润滑轴承油膜压力分布中图分类号:.文献标识码:./.液体润滑轴承承载机理液体动力润滑是利用粘性液体能够牢固地粘附在机械表面机械运转时液体被带入机械间隙中的作用实现的 当机械表面间隙呈收敛形时进入间隙中的液体压力会逐渐增大当液体的粘度和机械的转速、负荷、间隙等配合恰当时在液体中就能产生较高的压力使两个摩擦面分开也就是说液体动力润滑不需借助外力作用而靠部件本身运动在摩擦表面间建立一高压油膜使摩擦面分开减少机械表面的摩擦和磨损 液体动力润滑使用的润滑剂主要是润滑油从润滑油的性质方面来说主要作用的是润滑油的粘度 图 为液体动压润滑的原理示意图轴承与旋转轴之间充满了不可压缩的动力粘度为 的润滑油 负荷加在旋转轴上在轴以角速度 旋转时在载荷 的作用下轴心 和轴心 相互偏离 和 之间的距离 称为偏心距的连线和载荷 的夹角 称为8/00FQNBYQpNBY?h图 液体动压润滑原理示意图.偏位角 由于润滑油具有一定的粘度润滑油随着轴的旋转进入到间隙内顺着旋转方向间隙越来越小润滑油被挤压而产生压力直到间隙最小处润滑油被挤压的越来越厉害油膜压力越来越大这些油膜压力的总和就形成轴承的承载力并与外载荷 平衡 经过间隙最小处后间隙越来越大润滑油不再被挤压油膜的压力逐渐消失 液体动力润滑轴承承载的计算假设轴与轴承间形成了完整的压力油膜轴中心 偏离轴承中心 两者的距离 称为偏心距偏心距延长线将油膜分为两部分油膜的收敛区域和发散区域 在收敛的油膜区域中油膜产生了足够的压力 平衡了负载 使轴在油膜上运转定义 其中 为轴和轴承的偏心率油膜厚度可以近似表达为式():()()对于圆形液体润滑轴承油膜轴承的承载可以根据雷诺方程得出:()()()滑动轴承在工程中起着定位和承载的作用润滑油在滑动轴承偏心区域能形成动压效应其合力与外部的载荷相平衡当轴承处于稳定运行状态时载荷的各方向上合力为 即:其中 及 分别表示外载荷在 轴及 轴上的分量作用在轴上的外力为 其作用方向指向轴心对于油膜产生的压力它作用在油膜压力区域内轴的每个点上作用方向也指向圆心 根据力平衡条件这些外力在 轴和 轴上分量必须等于零即:()()由于求解油膜承载需求解上述方程求解过程中积分运算比较复杂因此工程上常采用数值分析法或者(计算流体动力学)来求解 椭圆形液体润滑轴承同样也满足上述平衡方程为了将求解简单化采用 仿真技术目前国内对于液体润滑轴承的计算多采用数值仿真计算涉及到的轴承偏心率均低于.轴承的转速也相对较高此时液体润滑轴承形成的油膜相对较厚对于在复杂工况下低速重载轴承过低的偏心率无法满足轴承承载要求如果为了提高承载降低轴承的名义间隙会影响轴承的散热功能为了满足承载轴承偏心率均高于.本文通过利用 流体动力学仿真技术完成了高偏心率下的油膜流场求解通过仿真得出了高偏心率下的油膜压力分布和承载能力对实际轴承的选型设计提供了理论指导 椭圆形轴承的 仿真前处理对于椭圆形液体润滑轴承来讲由于其曲率发生变化很难利用传统的微分方程描述出椭圆形轴承承载的方程因此可以利用 仿真技术来模拟计算椭圆形轴承的承载能力和承载区的油膜压力分布为了建模方便可以假定模拟椭圆形轴承的长轴做为变量短轴不变的模型 长轴的偏心距为 时相当于圆形轴承偏心距变化范围设定为(.).IEZEYF图 椭圆形轴承示意图.为了研究椭圆形液体润滑轴承的承载性能选择相同规格型号的圆形轴承做对比 圆形液体润滑轴承的参数设定为:轴颈直径为 轴承长度为 轴颈转速为 定义油膜厚度为.轴承的直径间隙为.对于圆形轴承最小油膜厚度为 此时对应的轴承偏心率为.图 为利用 仿真软件求解计算液体润滑轴承的流体域模型和边界条件设定在该模型中包含了轴承的几何尺寸和油膜厚度的特征当液体润滑轴承开始运转时轴颈与轴套之间的间隙中会存在着油膜的收敛区域和发散区域在对所定义流体域模型仿真时应当预计到油膜可能在扩散区内自然破裂因此油膜完整区的终止边界以及整个压力分布会在边界处形成突变具体的表现为液体滑动轴承在工作过程中油膜的发散区域 太原科技大学学报 年XBMMPVUMFUSPUBUJPOBMJOMFU#$%#$%:;9图 油膜流体域模型和边界条件.会形成负压区域使润滑油产生空穴效应 因此必须在仿真计算过程中考虑到实际会产生的空穴效应采用多相流空化模型在该液体润滑轴承的仿真过程中采用的是 .空化模型多相流中定义相的数目为二相分别为:主相 为液相液体密度为 /液体的运动粘度 为./第二相 为气相气体为空气滑动轴承运行过程中产生的空穴现象主要是因为溶解在润滑油内的空气由于外界压力变低其体积膨胀析出所造成的 在边界条件的处理上设定如下:液体润滑轴承入口边界条件定义入口边界条件的形式为压力入口边界条件()压力大小为 .:液体润滑轴承出口边界条件定义出口边界条件的形式为压力出口()设置出口压力为.:旋转壁面边界条件()定义旋转壁面的转速为 .:固定壁面边界条件().完成油膜流体域模型的建立之后需要对该流体域进行离散化即通过划分网格的方式将流体域模型离散化为由单元和节点构成的有限元模型由于该流体域有着极高的偏心率因此需要流体域几何模型其进行特殊处理的方式来划分网格 模拟分析计算需要将油膜流体域通过网格划分离散化仿真的准确性依赖于划分网格的质量而油膜流体域的几何形状决定了网格划分非常困难(油膜长度方向和厚度方向的尺寸相差极大长度尺寸为 左右而厚度方向仅仅为(.)甚至更小)因此网格划分过程中需要处理好“跨尺度”的问题通过对油膜轴承分析计算的研究可以得出非结构化网格(四面体单元)划分的油膜流体域在计算过程中不能得到很好的收敛 因此在流体域离散化过程中需要采用结构化网格(六面体单元)为了得到高质量的网格通过对流体域进行分割得到可以划分成为六面体网格的区域为了得到极薄油膜厚度下的网格往往需要将流体域做出十几次的分割而随着油膜厚度的变化分割方法也会随之产生变化 通过对网格划分的研究目前可以完成最高偏心率为.油膜流体域的结构化网格划分 并且能够控制很好的网格质量单元畸变度 平均值为.仿真后处理结果分析图 为圆形液体润滑轴承 仿真完成之后得出的油膜压力分布图可以看出油膜流体域整个承载区域压力分布完整的呈现出来并未出现不连续离散的形貌进而验证了在仿真迭代的过程中计算中得到了很好的收敛 油膜中心区域的最高压力值为 此时轴承能够提供的载荷为 .FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图 圆形液体润滑轴承油膜压力分布图.图 为椭圆形液体润滑轴承椭圆度.时的油膜压力分布此时轴承的工作区椭圆长轴偏心距.非工作区偏心距为.油膜中心区域最大压力值为 油膜能提供的载荷为 .从仿真可以得出当液体润滑轴承工作区存在偏心距时相比圆形液体润滑轴承承载能力增加图 为椭圆形液体润滑轴承椭圆度.时的油膜压力分布此时轴承的工作区椭圆长轴偏心距.非工作区偏心距为.油膜中心区域最大压力值为 油膜能提供的载荷为 .第 卷第 期 郭 强:椭圆形液体润滑轴承承载特性的研究FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图 椭圆度.时油膜压力分布图.FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图 椭圆度.时油膜压力分布图.图 为椭圆形液体润滑轴承椭圆度.时的油膜压力分布此时轴承的工作区椭圆长轴偏心距.非工作区偏心距为.油膜中心区域最大压力值为 油膜能提供的载荷为 .FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图 椭圆度.时油膜压力分布图.图 为椭圆形液体润滑轴承椭圆度.时的油膜压力分布此时轴承的工作区椭圆长轴偏心距.非工作区偏心距为.油膜中心区域最大压力值为 油膜能提供的载荷为 .图 为椭圆形轴承油膜轴心压力、椭圆形轴承承载能力和轴承椭圆度的关系曲线从曲线上可以FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图 椭圆度.时油膜压力分布图.1 BNNU P O G图 轴承椭圆度和中心压力、承载能力关系曲线.看出随着轴承椭圆度的增加轴承油膜中心压力和轴承的承载能力增大 从仿真计算中可以得出当轴承椭圆度增加.时相比圆形轴承承载能力提高了 油膜中心的压力增加了.因此在一些特殊的工况场合轴承处于低速重载工况时为提高轴承的承载能力可考虑设计椭圆形液体润滑轴承替代圆形液体润滑轴的方案增大轴承的承载能力相比圆形轴承椭圆形轴承的端泻面积增加工作过程中需要的供油流量也会增大 图 为轴承工作区椭圆度和润滑油流量的关系曲线因此在使用椭圆形轴承替代圆形轴承增加承载能力的同时需要增加供油流量 当椭圆形轴承椭圆度为.时轴承供油流量相比圆形轴承增加了.结论()确定了椭圆形液体润滑轴承椭圆的椭圆度和承载能力油膜中心压力变化的规律 对处于低速重载运行的液体润滑轴承当处于相同油膜厚度 太原科技大学学报 年L H T NN图 轴承椭圆度和供油流量关系曲线.时椭圆形液体润滑轴承承载能力会更大可使用椭圆形液体润滑轴承代替圆形液体润滑轴承提升轴承的安全系数()椭圆形轴承的椭圆度增加使轴承的承载能力提升同时油膜中心压力也在增加因此必须考虑液体润滑轴承减摩材料的强度避免使用椭圆轴承时油膜中心压力增加导致减摩材料的失效()对使用椭圆形轴承的润滑油供油流量进行分析计算为后续椭圆形轴承的使用提供理论指导()椭圆形液体润滑轴承在椭圆度的选型上应根据轧机的具体工况在保证承载前提下选择较低的椭圆度因为随着轴承椭圆度的增加会影响轧制板型的精度参考文献:.:.:.董浚修.润滑原理及润滑油.北京:中国石化出版社.张直明.滑动轴承的流体动力学润滑.北京:高等教育出版社.王建梅黄庆学丁光正.轧机油膜轴承润滑理论研究进展.润滑与密封():.:.:.(.):.:第 卷第 期 郭 强:椭圆形液体润滑轴承承载特性的研究