基于ANSYS的油膜軸承油膜溫度場分析

1、引言對任何軸承而言,潤滑是關(guān)鍵。軋機油膜軸承工作時是依靠油膜壓力來平衡外載的,這時油膜也起著關(guān)鍵的潤滑作用。在潤滑過程中,油膜的溫升是由功耗變熱引起的,楔形區(qū)的油膜受到剪切作用也會產(chǎn)生熱量,由功耗變成的熱與熱傳導量和流體質(zhì)點因溫升而增加的內(nèi)能應遵守能量守恒定律。由于這些熱量不能完全以對流和熱傳導的方式散發(fā)掉,結(jié)果造成油膜溫度升高,這會直接影響油的粘度和引起軸承的燒損。對軸承進行瞬態(tài)溫度分析,這是一項困難的工作,首先油膜的幾何形狀一般不規(guī)則,并且事先常常是不確知的;其次,入口逆流會破壞方程組的主對角優(yōu)勢,容易使數(shù)值過程不穩(wěn)定;還有,軋機軸承在工作時,軋制工況是復雜的,尤其對可逆軋機來說,溫度場是

2、不斷交替變化的。本文利用有限元法通過ANSYS 軟件計算了動壓油膜軸承在工作時形成油膜后的溫度場。1油膜溫度場的三維數(shù)值求解客觀地描述油膜軸承內(nèi)部的溫度分布及溫度變化,需在油膜流體控制方程的基礎(chǔ)上聯(lián)立能量方程及粘溫方程進行數(shù)值求解。1.1油膜流體控制方程和能量方程流體潤滑理論是基于粘性流體動量方程Navier-Stokes 和連續(xù)性方程1。軸承間隙中的潤滑流體視為不可壓縮粘性Newton 流體,則納維-斯托克斯(Navier-Stokes方程為:dudt=X a -1!p !x +!2u du dt =Y a -1!p !y+!2v du dt=Z a -1#p #z +!2"$#$

3、%w即:DV &Dt =g -!P-!2V &(1連續(xù)性方程為:!u !x +!v !y +!w !z=0.(2式中:u ,v ,w 分別為流體在x 、y 、z 方向上的流速;密度;粘度;t時間;!2=!2!x 2+!2!y 2+!w !z如果不考慮體積力和熱輻射的影響,粘性流體的能量方程具有如下的普遍形式1:=D(C TDt =!(k !T -T #T D Dt+.(3式中:c 為流體的等壓比熱,對于潤滑油而言,其等壓比熱容c 與等容比熱c v 相差甚微,所以可以籠統(tǒng)地將其寫為c ;k 流體的熱傳導系數(shù),對于潤滑油,c 和k 均可認為是常數(shù)。式(3中的D/Dt 是流體力學中常

4、用的微分算子,在直角坐標系中其微分運算為:.(4對于Newton 流體,熱耗散的表達式為:=2(!u/!x2+2(!v/!y2+2(!w/!z2+(!u/!y+!v/!x2+(!v/!z+!w/!y2+(!w/!x+!u/!z2.(5文中所研究的軋機油膜軸承,油膜軸承工作示意圖如圖1所示,考慮到軸瓦所受載荷方向垂直向下,且變動范圍較小,軸瓦轉(zhuǎn)速為0,軸頸轉(zhuǎn)速為U 。在計算時需要在以上數(shù)學模型的基礎(chǔ)上作一些合理的假設(shè):1忽略體積力的作用,如重力或磁力,除了電流體或磁流體潤滑理論外,這一假設(shè)通常是合理的。2流體在固體界面上無滑動,即附著于界面上的流體質(zhì)點的速度與界面上該點的速度相等。3潤滑劑為Ne

5、wton 流體。4流動為層流,不存在渦流和湍流。5與粘性力圖1軋機油膜軸承工作示意圖作者簡介:王創(chuàng)民(1962-,男,山西臨猗人,高級工程師,碩士,主要從事管理及油膜軸承研究工作。收稿日期:2008-05-25;修回日期:2008-06-28王創(chuàng)民(太原重工股份有限公司,太原030024【摘要】應用ANSYS 軟件對軸承潤滑膜進行數(shù)值求解,研究特定負載下動壓油膜軸承內(nèi)起關(guān)鍵作用的油膜溫度分布及溫度變化,分析潤滑油膜的三維溫度場對軸承實際潤滑性能的本質(zhì)影響?！娟P(guān)鍵詞】油膜軸承;有限元;溫度場【中圖分類號】TH133【文獻標識碼】A 【文章編號】1003-773X (200805-0101-03基

6、于ANSYS 的油膜軸承油膜溫度場分析The Oil-film Temperature Fild Analysis of Oil-film Bearing Based on ANSYSWANG Chuang-min(Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.Taiyuan 030024Abstract Application of ANSYS software to numerical calculation of bearing lubrication film,which to study temperature distribution and change of o

7、il-film that play a vital role in hydrodynamic oil-film bearing specially appointed loads.Analyses 3D temperature filed nature of lubricate film ,the nature to actual lubricating bearing function is affected.Key words Oil-film Bearing;Finite Element Method;Temperature Field第23卷第5期(總第104期機械管理開發(fā)2008年1

8、0月Oct.2008101比較,可以忽略慣性力的影響,包括流體加速的慣性力和流體膜彎曲的離心力。6潤滑油的比熱和傳導系數(shù)為常量。7潤滑劑的粘度是隨溫度和壓力等工況而變化的,文中采用比較符合軋機軸承實際的Reolands 粘壓方程2,3:=0exp(ln 0+9.67-1+(1+5.1×10-9pz(T-13/(T 0-13-s 0.(6式中:z 、s 0Reolands 系數(shù),是無量綱系數(shù);0壓力為零,溫度為T 0時的動力粘度,NS/m 2;p 壓力,N/m 2;T 工作溫度,K ;T 0參考溫度或邊界溫度,K ;粘壓系數(shù),Pa -1;粘溫系數(shù),-1。1.2油膜流體的數(shù)值計算采用大型

9、有限元軟件ANSYS 是對油膜連續(xù)體進行離散化,在對油膜連續(xù)體離散化的過程中,為使離散出的網(wǎng)格能更精確的逼近連續(xù)區(qū)域以及有限元的計算的結(jié)果在預定的誤差范圍之內(nèi),應保證離散化后得到質(zhì)量較高的網(wǎng)格。對于文中所建立的油膜模型,雖然油膜厚度極薄,但仍是一個三維實體,因此采用三維六面體的流體單元進行映射網(wǎng)格劃分,劃分出一定數(shù)量的單元和節(jié)點;每一單元有8個節(jié)點,每個節(jié)點有VX,VY,VZ,PRES,TEMP,ENKE,ENDS 等7個自由度,適用于穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析4,如圖2所示。油膜流動邊界條件:油膜進油口的邊界條件:p/p i =p o ,p i 為進油口油壓,該動壓軸承為壓力式供油,p o 為供油壓強;

10、油膜出口邊界條件:p/p o =0;油膜端泄處邊界條件:p/p B =0;油膜與軸頸相接觸處為移動壁面邊界條件,油膜軸承中的油主要是在軸頸的轉(zhuǎn)動下隨軸進入收斂的楔形間隙的,當軸承穩(wěn)定工作時形成偏載的楔形油膜,油膜邊界上的速度就是軸頸的轉(zhuǎn)動速度,與軸接觸的油面加軸的旋轉(zhuǎn)速度U,在極坐標下,轉(zhuǎn)換成軸的轉(zhuǎn)速為n=v d /d (r/s ;油膜與軸承接觸處是固定壁面邊界條件,所有速度為零。油膜傳熱邊界條件:油膜軸承工作時產(chǎn)生的熱量主要由潤滑油本身帶走熱量,其次是軸和軸承的傳導散熱。計算時取軸承、軸頸的熱傳導率為固定壁面和移動壁面的傳熱邊界條件,由于軸承工作時其中一個進油孔導入的油通過軸頸對油膜起到散熱

11、的作用,所以在與軸頸接觸的壁面要取一個修正的傳熱系數(shù)。對于軋機油膜軸承,流入軸瓦的潤滑油一部分來自于油腔供油,另一部分來自于軸承旋轉(zhuǎn)帶入的熱油,因此,進油口處平均油溫Tin 是由這兩部分混合后確定的;軸頸表面溫度Tc 可以認為高于或等于環(huán)境溫度的常數(shù),這是由于軸頸處于高速旋轉(zhuǎn)中,當軸頸系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后,表面溫度不會發(fā)生明顯的變化;軸瓦表面溫度取經(jīng)驗值。對有限元模型加載以上邊界條件,進行參數(shù)化編程計算,采用迭代法,先設(shè)定一組初始數(shù)據(jù)進行計算,不滿足收斂條件時改變參數(shù)重新計算,直至取得一組較為適合的參數(shù)。2實例計算與分析以一臺軋機支撐輥油膜軸承為例,該油膜軸承為動壓油膜軸承(見圖3,計算其在12

12、0°承載內(nèi)角內(nèi)的油膜溫度場。建立三維楔形油膜模型,具體軸承幾何參數(shù)、材料參數(shù)選取如表1:轉(zhuǎn)速為1m/s 以下,計算得油膜溫度分布如圖4:圖4中,油膜最高溫在最小油膜厚度處,為357.7K ,即84.7,由于出口油溫與有效油溫或平均油溫接近,計算得有效油溫為62.35,所以出口油溫約為62。由計算可知,壓力梯度大的地方,溫升明顯升高。可見,低速下壓力梯度是引起油溫升高的主要原因。在油膜最小厚度處、油膜壓力最大處稍延后油膜溫升最大。油膜溫度的上升會影響承載力,低速下,計算得(下轉(zhuǎn)第104頁圖23-D 流體傳熱單元表1軸承的幾何、材料參數(shù)軸承直徑D (mm 寬徑比B/D相對間隙(潤滑油粘度

13、40(Pa s 幾何包容角(°圖3120°承載包角計算示意圖102!(上接第102頁油膜溫升并不厲害,高速下,由于油膜溫升大,會影響各種參數(shù)對承載能力的變化規(guī)律。計算發(fā)現(xiàn),油膜厚度方向溫度發(fā)生劇烈變化,可見軸頸溫度對油膜和軸瓦的溫度場的影響很小。3結(jié)束語軸承中的最高溫度并不出現(xiàn)在油膜和軸瓦的交界面,而是在油膜中:在加速和突加載荷時,軸承都會有失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn),并伴隨著溫度的突然升高,在很短的時間內(nèi),軸承溫度的上升量會達到幾十度,在較為嚴峻的工況下,可能引起軸承的失效。油膜內(nèi)的溫度變化對軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析有很大的影響,如果不考慮溫度變化,會忽略掉由于軸承熱不穩(wěn)定性導致的軸承失效

14、現(xiàn)象;在高轉(zhuǎn)速的情況下,溫度響應情況非常復雜,最高和最低溫度的差值很大,能夠達到幾十度,這說明高速旋轉(zhuǎn)的軸承很容易出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象。由于軸承的流量變化相對比較小,在速度不變的情況下,工作參數(shù)承載量和供油壓力對軸承溫度場的影響很小。軸承工作時的工況差異很大,本計算的油膜溫度場可以分析出軸承工作時的基本溫度變化和出口油溫,有利于防止軸瓦的失效,但為了得到更精確的溫度變化,有必要對不同工況作一個瞬態(tài)溫度場分析。參考文獻1陳伯賢,裘祖干.流體潤滑理論及其應用M.北京:機械工業(yè)出版社,1991:1-40.2郭溪泉,李樹青.現(xiàn)代大型軋機油膜軸承技術(shù)與應用M.北京:機械工業(yè)出版社,1998:173-185.3黃

15、慶學.軋機軸承與軋輥壽命研究與應用M.北京:冶金工業(yè)出版社,2003:286-343.圖4油膜溫度分布器、機械式手動加載器;被試變速箱輸入功率是從被試變速箱輸出端傳出經(jīng)由陪試箱、變速箱2、加載器、變速箱1返回的功率和由驅(qū)動電機輸出的功率構(gòu)成的。驅(qū)動電機輸出功率相當于系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中損耗功率的重新補充。由于機械閉環(huán)系統(tǒng)功率損耗不大,故所需驅(qū)動電機的功率僅僅是被試變速箱運轉(zhuǎn)功率的一小部分。2各種型式變速箱疲勞壽命試驗臺的性能特點各種型式的變速箱疲勞壽命試驗臺的性能特點如表1所示:3試驗臺方案選擇試驗臺方案選擇原則上必須考慮其試驗臺的穩(wěn)定性、通用性、試驗的經(jīng)濟性、環(huán)保性等。變速器制造行業(yè)一般需進行產(chǎn)品開發(fā)試驗、出廠前檢測試驗、產(chǎn)品質(zhì)量評價試驗等,在進行試驗臺的方案選擇時應綜合考慮其試驗目的、試驗條件、試驗地點,根據(jù)各種試驗臺的結(jié)構(gòu)特點、使用性能、維修性能等進行選用。表1三種形式變速箱疲勞壽命試驗臺的性能特點試驗臺型式工作原理結(jié)構(gòu)特點使用性能功率損耗維修性能缺點開式試驗臺利用測功機進行加載結(jié)構(gòu)簡單,但測功機