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        可傾軸瓦油膜有限元仿真探究及運(yùn)行改善建議

        2021-09-10 06:25:08
        有色冶金節(jié)能 2021年4期
        關(guān)鍵詞:進(jìn)油軸瓦油膜

        劉 磊

        (大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司冶煉廠, 湖北 黃石 435005)

        0 前言

        某冶煉廠熔煉車間SVK12-3S離心空氣壓縮機(jī)(以下簡稱“150空壓機(jī)”)是為熔煉車間粉煤及電收塵輸送系統(tǒng)提供壓縮空氣的主要設(shè)備,級數(shù)為三段三級,送風(fēng)量達(dá)到150 Nm3/min,出口壓力為0.8 MPa,是熔煉系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一,其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個冶煉系統(tǒng)的生產(chǎn)?,F(xiàn)該系統(tǒng)停產(chǎn)檢修周期由1年逐漸延長至2年,對該設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。

        對該設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化,需要耗費(fèi)較大改造成本和時間,難以在實(shí)際中進(jìn)行試驗(yàn)。故從設(shè)備管理角度出發(fā),150空壓機(jī)可傾軸瓦的損壞及定期更換一直是主要檢修原因。根據(jù)黃首峰等[1]的研究,采用CFD軟件對可傾軸瓦進(jìn)行研究方便快捷,仿真結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)值相比誤差較小,可以認(rèn)為可靠有效。羅大兵等[2]的研究表明,仿真結(jié)果能夠反應(yīng)一定條件下可傾軸瓦的工作狀態(tài),對故障診斷發(fā)揮重要的作用。故利用有限元仿真技術(shù)對可傾軸瓦油膜進(jìn)行仿真可以令設(shè)備管理人員更直觀地掌握150空壓機(jī)的可傾軸瓦實(shí)際狀態(tài),在一定程度上實(shí)現(xiàn)對軸瓦的定量和定性分析,實(shí)現(xiàn)提前故障預(yù)測,再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)制定措施降低故障率,使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

        綜上所述,對150空壓機(jī)可傾軸瓦進(jìn)行有限元仿真是非常有必要的,這也是掌握軸瓦實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),預(yù)測備件損耗及原因,乃至優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)備管理的基礎(chǔ)研究工作。

        1 可傾軸瓦及油膜模型的建立

        1.1 實(shí)際工況及仿真模型邊界條件

        本文對150空壓機(jī)的一、二級軸瓦進(jìn)行研究。該壓縮機(jī)在達(dá)到額定送風(fēng)量、風(fēng)壓及工作穩(wěn)定情況下,一、二級軸轉(zhuǎn)速分別為26 322 r/min和34 745 r/min,使用的潤滑油為46號汽輪機(jī)油,密度為871 kg/m3,運(yùn)動粘度(40 ℃)為44.10 mm2/s??諌簷C(jī)正常運(yùn)行時,潤滑前潤滑油平均溫度為25 ℃;潤滑后潤滑油平均溫度為40 ℃;潤滑油總管壓力為0.342 MPa。

        將模型理想化,假設(shè)邊界條件如下:

        1) 將軸承間隙內(nèi)的流體看成不可壓縮的三維定常流動。

        2) 潤滑油的慣性力忽略不計(jì),并且潤滑油與軸頸無相對滑動。

        3) 臨界雷諾數(shù)Re<2 000,油膜流動總保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)。

        4) 默認(rèn)潤滑條件為360°流體潤滑軸承。

        1.2 可傾軸瓦及油膜模型

        150空壓機(jī)一、二級軸及可傾軸瓦相關(guān)尺寸見表1。

        表1 150空壓機(jī)一、二級軸及可傾軸瓦相關(guān)參數(shù)

        一、二級可傾軸瓦分布情況均為3塊下瓦、2塊上瓦,共計(jì)5塊。據(jù)此建立三維模型,軸承模型示意圖及軸瓦物理三維模型如圖1和圖2所示。

        R-軸瓦內(nèi)壁半徑;r-軸半徑;e-偏心距;θ-偏心角度,45°;hmin-最小油膜間隙圖1 軸承模型示意圖

        圖2 軸瓦物理三維模型

        根據(jù)以上模型,將油膜模型抽取,得到其三維模型,如圖3所示。

        圖3 油膜三維模型

        1.3 控制方程及模型網(wǎng)格劃分

        1.3.1 控制方程

        1) 連續(xù)性方程為:

        (1)

        式中:v——速度矢量, m/s;

        ρ——密度, kg/m3;

        t——時間, s。

        2) 動量守恒方程為:

        (2)

        μ——動力粘度,Pa·s;

        g——重力加速度, m/s2;

        p——流體壓力, Pa;

        f——單位體積流體受的外力, N。

        3) 能量守恒方程為:

        (3)

        其中,div代表散度,grad代表梯度。

        式中:cp——比熱容, J/(kg·℃);

        k——流體傳熱系數(shù), W/(m·K);

        Sr——流體內(nèi)部熱源的機(jī)械能轉(zhuǎn)化長熱能的部分;

        T——溫度,℃。

        1.3.2 模型網(wǎng)格劃分

        根據(jù)油膜的結(jié)構(gòu),對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。需要將SolidWorks建好的模型導(dǎo)入ANSYS中,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.5 mm。一級軸瓦油膜模型的最終網(wǎng)格數(shù)為294 784,節(jié)點(diǎn)數(shù)為265 794。二級軸瓦油膜模型的最終網(wǎng)格數(shù)為211 324,節(jié)點(diǎn)數(shù)為192 283。一、二級軸的旋轉(zhuǎn)方向即潤滑油的運(yùn)動方向?yàn)檎龑軸沿逆時針旋轉(zhuǎn),如圖4所示。

        圖4 潤滑油的運(yùn)動方向

        2 有限元仿真計(jì)算及分析

        對一、二級軸瓦油膜的常見工況進(jìn)行簡化,在常溫直接啟動、加熱正常開車、正常運(yùn)行、油溫過高、極端情況這5種工況,即供給潤滑油溫度(以下簡稱“進(jìn)油溫度”)為25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃條件下,進(jìn)行有限元仿真計(jì)算,得到收斂后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的仿真結(jié)果。

        2.1 一級軸瓦油膜模型仿真結(jié)果

        2.1.1 油膜溫度

        不同進(jìn)油溫度條件下,一級軸瓦油膜溫度云圖如圖5所示。

        圖5 不同進(jìn)油溫度下一級軸瓦油膜溫度云圖

        圖5中每個軸瓦位置對應(yīng)的油膜區(qū)域都沒有發(fā)現(xiàn)溫度集中區(qū)域。將溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖6所示。油膜最高溫度從25.05 ℃上升到64.95 ℃,最低溫度從24.95 ℃上升到47.75 ℃,兩者都是隨著進(jìn)油溫度升高而上升,但是最低溫度上升趨勢較緩慢;在進(jìn)油溫度為25 ℃時,溫差只有0.1 ℃,其余溫差都在10 ℃以內(nèi)。

        圖6 不同進(jìn)油溫度下一級軸瓦油膜溫度統(tǒng)計(jì)

        2.1.2 油膜壓力

        不同進(jìn)油溫度條件下,一級軸瓦油膜壓力云圖如圖7所示。

        從圖7中可以看出,油膜分布有非常明顯的壓力集中區(qū),其中5個區(qū)域呈現(xiàn)高壓力集中現(xiàn)象,對應(yīng)也有5個區(qū)域呈現(xiàn)最低壓力集中現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)定好的軸轉(zhuǎn)動方向,最高壓力區(qū)與最低壓力區(qū)交替出現(xiàn)。將壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖8所示。不同進(jìn)油溫度條件下,最高壓力、最低壓力及壓差基本呈現(xiàn)一條直線,平均最高壓力為0.632 8 MPa,平均最低壓力為0.070 4 MPa,平均壓差為0.562 4 MPa。根據(jù)圖8,壓差較小,預(yù)計(jì)一級軸瓦不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象[3]。

        圖7 不同進(jìn)油溫度下一級軸瓦油膜壓力云圖

        圖8 不同進(jìn)油溫度下一級軸瓦油膜壓力統(tǒng)計(jì)

        2.1.3 截面流速

        不同進(jìn)油溫度條件下,一級軸瓦油膜橫截面流速云圖如圖9所示。由圖9可知,只有在25 ℃和35 ℃條件下,左下角軸瓦間隙存在潤滑油飛散現(xiàn)象,導(dǎo)致潤滑油局部流速降低至0 m/s;但所有溫度條件下最高流速均恒定為13.16 m/s。

        2.2 二級軸瓦油膜模型仿真結(jié)果

        2.2.1 油膜溫度

        不同進(jìn)油溫度條件下的二級軸瓦油膜溫度云圖如圖10所示。由圖10可知,在25 ℃、35 ℃、55 ℃條件下,二級軸瓦位置對應(yīng)的油膜區(qū)域都出現(xiàn)明顯溫度集中區(qū)域。將溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖11所示。油膜最高溫從29.75 ℃上升到64.95 ℃,最低溫度從16.35 ℃上升到48.15 ℃,兩者都是隨著進(jìn)油溫度升高而上升,且上升趨勢基本一致;溫差變化保持在20 ℃以內(nèi)。相較于一級軸瓦,二級軸瓦溫差明顯增大,溫差在進(jìn)油溫度35 ℃條件下呈現(xiàn)最低,為9.5 ℃。

        圖10 不同進(jìn)油溫度下二級軸瓦油膜溫度云圖

        圖11 不同進(jìn)油溫度下二級軸瓦油膜溫度統(tǒng)計(jì)

        2.2.2 油膜壓力

        不同進(jìn)油溫度條件下二級軸瓦油膜壓力云圖如圖12所示。由圖12可知,所有軸瓦的油膜均存在壓力集中區(qū)域,與一級軸瓦的情況基本相同,有10個壓力集中區(qū),5個呈現(xiàn)最高壓力集中,對應(yīng)5個呈現(xiàn)最低壓力集中。根據(jù)設(shè)定好的軸轉(zhuǎn)動方向,最高壓力區(qū)與最低壓力區(qū)交替出現(xiàn)。

        圖12 不同進(jìn)油溫度下二級軸瓦油膜壓力云圖

        將壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖13所示。在不同進(jìn)油溫度條件下,最高壓力、最低壓力及壓差基本呈現(xiàn)一條直線,平均最高壓力為68.10 MPa,平均最低壓力為-64.58 MPa,平均壓差為132.68 MPa,呈非常穩(wěn)定狀態(tài),但二級軸瓦存在出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象的可能[3]。在負(fù)壓區(qū)由于強(qiáng)大的壓力作用,油膜進(jìn)入軸瓦間隙時破裂,并在軸瓦內(nèi)表面運(yùn)動過程中再次成型,導(dǎo)致軸瓦出現(xiàn)另一次壓力驟升。

        圖13 不同進(jìn)油溫度下二級軸瓦油膜壓力統(tǒng)計(jì)

        2.2.3 載面流速

        不同進(jìn)油溫度條件下二級軸瓦油膜橫截面流速云圖如圖14所示。

        由圖14可以發(fā)現(xiàn),在所有溫度條件下,5個二級軸瓦間隙存在不同程度的潤滑油飛散現(xiàn)象,以右下角的間隙表現(xiàn)得最為劇烈;但所有溫度條件下最高流速均恒定為82.0 m/s。

        3 模型驗(yàn)證

        將一、二級軸瓦2017—2020年檢修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表2??梢园l(fā)現(xiàn),一級軸瓦使用情況好于二級軸瓦,二級軸瓦更容易損壞,因此證明二級軸瓦容易出現(xiàn)油膜破裂現(xiàn)象,這與150空壓機(jī)在2017—2020年多次大停電、控制系統(tǒng)故障等異常停車情況有關(guān)。對于出現(xiàn)燒損、咬粘、坑洼現(xiàn)象的軸瓦,必須進(jìn)行更換;而對于未出現(xiàn)燒損、咬粘、坑洼現(xiàn)象,但瓦塊內(nèi)壁有明顯發(fā)黑(油溫高積碳)、表面劃傷現(xiàn)象的軸瓦,可以對其表面進(jìn)行研磨處理,清洗后回裝使用。

        表2 2017—2020年一、二級軸瓦檢修情況統(tǒng)計(jì)

        對比2017—2020年三次檢修情況與仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),軸瓦實(shí)際損壞程度與本文三維仿真模型結(jié)果中二級軸瓦油膜壓力分布情況及壓差巨大,極有可能發(fā)生油膜破裂的判斷基本一致,證明了仿真模型的有效性。大量軸瓦燒損、積碳現(xiàn)象存在,對潤滑油溫度即散熱提出更高要求。

        4 可傾軸瓦的常見失效形式及運(yùn)行改善建議

        可傾軸瓦的常見失效形式有5種:磨粒磨損、咬粘、疲勞剝落、刮傷、腐蝕[4]。軸瓦明顯表現(xiàn)出咬粘現(xiàn)象,主要是因?yàn)橛湍て屏鸦驖櫥筒蛔?,?dǎo)致軸瓦塑性變形,引起失效。姬英明[5]通過進(jìn)行可傾瓦滑動軸承流固耦合分析得出了油膜壓力分布、軸瓦應(yīng)力分布和軸瓦變形三者之間的關(guān)系,即油膜壓力分布決定了軸瓦的應(yīng)力分布,直接影響軸瓦形變分布。因此本文認(rèn)為,油膜壓力變化是150空壓機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。

        根據(jù)陳鴻釗[6]的研究,潤滑油進(jìn)油溫度不應(yīng)低于25 ℃,出油溫度不高于60 ℃;肖瓊[7]的研究表明,潤滑油的溫度直接影響粘度,溫度過低,粘度增大,油膜過厚,不穩(wěn)定易破裂;溫度過高,油膜減薄,難以形成,起不到潤滑作用。

        綜上,理論結(jié)合實(shí)踐,對改善該軸承運(yùn)行提出如下建議:

        1) 觀察瓦塊瓦面,發(fā)現(xiàn)瓦塊的出口側(cè)有明顯磨損,判斷為軸經(jīng)過多年使用有輕微磨損導(dǎo)致軸徑變小,引起出口側(cè)油壓不穩(wěn),油膜變薄,間隙變小,從而導(dǎo)致瓦塊出口側(cè)嚴(yán)重磨損。因此,未來需要重點(diǎn)關(guān)注軸的直徑變化,每次開蓋進(jìn)行檢查測量,超過標(biāo)準(zhǔn)后需要進(jìn)行更換。

        2) 堅(jiān)持定期油液分析,監(jiān)控顆粒物和油質(zhì)污染,監(jiān)測頻率不低于每季度一次,且油質(zhì)取樣點(diǎn)需要確保不能只取油箱上層油液,保證日常用油的性能參數(shù),實(shí)時關(guān)注油箱進(jìn)出口壓差。需要換油時,應(yīng)該全部更換。

        3) 據(jù)分析,出油側(cè)壓力大,故每次空壓機(jī)停車后再開車時必須堅(jiān)持操作規(guī)程,將油液升溫的工序做到位,待溫度達(dá)到35~40℃后再啟動空壓機(jī),能極大緩解初啟動時的干摩擦現(xiàn)象。

        5 結(jié)論

        軸瓦油膜的仿真結(jié)果顯示:

        1) 一、二級軸瓦油膜都存在壓力集中區(qū),高壓區(qū)、低壓區(qū)域交替出現(xiàn),但一級軸瓦油膜壓力分布全為正壓,二級軸瓦油膜則有負(fù)壓區(qū)域出現(xiàn),且壓力變化巨大,正負(fù)壓差超過130 MPa,預(yù)計(jì)極易發(fā)生空穴現(xiàn)象,導(dǎo)致油膜破裂。

        2) 隨著進(jìn)油溫度的不同,二級軸瓦油膜溫差稍大于一級軸瓦油膜,最高溫度與最低溫度變化基本一致。

        3) 進(jìn)油溫度對一、二級軸瓦油膜流速沒有影響,流速非常穩(wěn)定,分別為13.16 m/s和82.0 m/s。

        4) 仿真結(jié)果與2017—2020年檢修情況基本符合,驗(yàn)證了仿真模型的可靠性,說明仿真模擬在一定程度上實(shí)現(xiàn)了可傾軸瓦運(yùn)行時油膜流動過程的模擬和計(jì)算。

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