尹雪梅 姬帥城 張一魁 李奕君 吳 超 何文斌

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 河南鄭州 450002；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 河南鄭州 450002)

可傾瓦軸承因穩(wěn)定性好被廣泛用于渦輪機、壓縮機、燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備中，獲得了不錯的效果[1-3]。但可傾瓦軸承機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工裝配精度高、安裝維護成本昂貴的缺點也非常明顯。隨著線切割加工技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了采用線切割的方法一次加工完成的線切割一體化可傾瓦軸承(柔性鉸鏈可傾瓦軸承)[4-5]。該軸承將瓦塊和軸承座通過柔性支承連為一體，減少了因裝配產(chǎn)生的誤差；通過柔性鉸鏈支承來代替?zhèn)鹘y(tǒng)可傾瓦軸承的剛性支承，能消除可傾瓦支點的高接觸應(yīng)力和磨損，大大減少軸瓦變形。因此線切割一體化軸承能降低可傾瓦軸承的成本，又具有接觸應(yīng)力小、無支點磨損等優(yōu)點，同時還消除了傳統(tǒng)可傾瓦軸承非承載瓦所產(chǎn)生的震顫現(xiàn)象，使其運轉(zhuǎn)更穩(wěn)定[6-8]。

陳淑江等、常江[9-10]根據(jù)橢圓型柔性鉸鏈剛度計算的簡化公式，研究了柔性鉸鏈的旋轉(zhuǎn)剛度對線切割一體化可傾瓦軸承動靜態(tài)性能的影響規(guī)律。楊期江等[11-12]、李佼[13]根據(jù)簡化的直梁型柔性鉸鏈計算公式，基于 PDE 工具箱提出一種線切割一體化軸承的靜平衡位置迭代方法，計算得到軸頸、瓦塊靜平衡位置。吳超等人[14]把三維的柔性鉸鏈簡化成一維的柔性支承，采用 Fortran 與 Ansys 混合編程的方法，考察偏心率、軸頸轉(zhuǎn)速和支點幾何尺寸對軸承單瓦塊靜態(tài)性能的影響。以上對線切割一體化軸承性能的研究，一般是把三維的柔性鉸鏈支承簡化成一維或者是利用簡單的公式計算其旋轉(zhuǎn)變形和徑向變形，利用流固耦合方法計算軸承特性。這種簡化能夠避開軸瓦和柔性鉸鏈的三維變形，減少計算工作量，但其柔性支承變形結(jié)果計算不準(zhǔn)確，影響軸承的承載力。

本文作者建立線切割一體化軸承的模型，基于CFD軟件，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，考慮柔性鉸鏈和軸瓦的三維變形，對線切割一體化可傾瓦軸承整體進行雙向流固耦合計算，考察柔性鉸鏈支承寬度、高度和軸瓦厚度對該軸承承載特性的影響。

1 流體控制方程

軸承油膜的連續(xù)性方程：

式中：ρm=αlρl+αvρv，代表潤滑油氣混合物的平均密度，αl、αv分別為液相、氣相體積分?jǐn)?shù)，ρl、ρv分別為液相、氣相密度；兩相質(zhì)量加權(quán)平均速度vm=(αlρlvl+αvρvvv)/ρm，vl、vv為液相、氣相的流動速度。

軸承油膜的動量方程：

式中：潤滑油平均動力黏度μm=αlμl+αvμv，μl與μv分別為液相、氣相潤滑油的動力黏度。

兩相流的邊界條件：

式中:pc是氣化壓力;pout為軸承泄油邊壓力;pin表示進油壓力。

2 CFD建模

2.1 建立幾何模型

利用三維軟件Solidworks分別建立線切割一體化可傾瓦軸承的流體計算域和固體計算域模型，如圖1所示。為了方便在Gambit中進行切分，需要把油膜間隙和進油口分開建立；為了流固耦合計算不出現(xiàn)迭代錯誤，軸承流體計算域模型和固體計算域模型在同一坐標(biāo)系下建立，且尺寸完全吻合。軸承材料選用30CrMo，表1給出了與文獻[12]一致的線切割一體化軸承的計算參數(shù)。

表1 線切割一體化軸承計算參數(shù)

2.2 重疊網(wǎng)格計算模型

重疊網(wǎng)格的建模思路類似于滑移網(wǎng)格，但其綜合了滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格的優(yōu)點，可用于任何不規(guī)則運動方式。重疊網(wǎng)格建模時包含兩套網(wǎng)格，如圖2(a)所示為背景網(wǎng)格，圖2(b)所示為組件網(wǎng)格。將組件網(wǎng)格的外表面設(shè)為overset邊界條件，其他設(shè)置與CFD軟件計算純流場的設(shè)置完全相同，然后按照step214格式導(dǎo)入到Gambit軟件。由于線切割可傾瓦軸承結(jié)構(gòu)的特殊性，無法建立整體的規(guī)格化網(wǎng)格，需要把完整的模型切分成若干個規(guī)則的小整體，之間用內(nèi)部面(interior)連接，可以保證節(jié)點之間相互關(guān)聯(lián)，有利于構(gòu)建規(guī)格化網(wǎng)格，最后通過節(jié)點掃掠成面網(wǎng)格和體網(wǎng)格。

2.3 計算邊界條件設(shè)置

利用重疊網(wǎng)格技術(shù)，將軸瓦和柔性支承的表面定義成流固耦合面，采用雙向流固耦合方法[15]，按表1中參數(shù)求解線切割軸承的特性。經(jīng)計算滿足層流條件，選擇層流模型。選用Singhal-ET-AL氣穴模型，氣化壓力設(shè)置為7 550 Pa。瞬態(tài)求解中，選擇PISO算法，離散方式選擇一階迎風(fēng)格式，出口壓力設(shè)置為0，轉(zhuǎn)子表面設(shè)置為無滑移旋轉(zhuǎn)面，Boundary Conditions中設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度、方向及旋轉(zhuǎn)中心，軸承旋轉(zhuǎn)方向及潤滑油流動方向根據(jù)右手定則判斷。

3 網(wǎng)格無關(guān)性和計算方法正確性驗證

利用有限元軟件進行仿真，需要對網(wǎng)格進行獨立性驗證。按表1中參數(shù)，選擇軸頸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、軸承偏心率為0.2、初始網(wǎng)格層數(shù)為2000∶50∶3(圓周方向∶軸向∶徑向)，來計算軸承性能。通過改變油膜厚度方向的網(wǎng)格密度，以軸承載荷、最大壓力和黏性阻力作為觀測量，表2給出了油膜厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)對計算結(jié)果的影響。考慮計算速度和精度，油膜厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)選擇10層比較合理。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由于Fluent軟件無法對不同部分的結(jié)構(gòu)變形進行準(zhǔn)確分離，因此僅對比流場參數(shù)。圖3表明，不同偏心率、不同轉(zhuǎn)速下軸承承載力系數(shù)計算結(jié)果與文獻[12]的差別小于3%。這說明文中所建立的線切割一體化軸承模型正確，采用的計算方法具有較高的精度。

4 計算結(jié)果及分析

以橢圓型柔性鉸鏈支承的線切割一體化軸承為研究對象，分別改變?nèi)嵝糟q鏈的支承寬度、支承高度以及軸瓦的厚度，分別建立軸承的計算模型，研究這些參數(shù)對線切割一體化軸承性能的影響。除特殊說明外，均以表1中的參數(shù)進行建模。

4.1 柔性支承寬度的影響

柔性鉸鏈支承寬度分別為1.5、2.5和5 mm時，計算得到線切割軸承承載特性隨轉(zhuǎn)速和偏心率的變化關(guān)系，如圖4所示。

計算結(jié)果表明，隨著偏心率或轉(zhuǎn)速的增加偏位角呈下降趨勢，黏度阻力、載荷呈上升趨勢；考慮支承變形時，黏性阻力、載荷、偏位角等靜特性計算結(jié)果均比不考慮支承變形的計算結(jié)果要小，并隨著支承寬度的增加，靜特性參數(shù)計算結(jié)果越接近于不考慮支承變形的計算結(jié)果。這是因為在相同轉(zhuǎn)速或者偏心率下，隨著柔性鉸鏈支承寬度增加，柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)剛度變小，支承旋轉(zhuǎn)變形減少，線切割可使傾瓦軸承的性能更加接近于固定瓦軸承性能。當(dāng)考慮支承變形時，瓦塊能夠達到擺動平衡狀態(tài)，實際的偏心率大于名義偏心率，出現(xiàn)軸承的流量、摩擦阻力等參數(shù)減小，說明線切割軸承比可傾瓦軸承有更低的功耗。

4.2 軸瓦厚度的影響

圖5給出了軸瓦厚度依次設(shè)置為5、10和25 mm時的線切割軸承靜特性隨轉(zhuǎn)速和偏心率的變化關(guān)系。

圖5表明，油膜最大壓力和載荷隨偏心率和轉(zhuǎn)速的增加而增大，但考慮變形后油膜壓力和偏位角的變化速率減小，并隨著軸瓦厚度減小，軸承承載性能下降。這是因為隨著軸瓦厚度減小，軸瓦更易發(fā)生變形，改善了油膜承載的不均勻性，減少了最大壓力，出現(xiàn)了軸承承載能力下降現(xiàn)象。在低速下，當(dāng)軸瓦厚度大于10 mm時，軸瓦徑向基本不變形，軸承靜特性計算結(jié)果基本不變，再增加軸瓦厚度，對軸承承載性能基本沒有影響。

4.3 柔性支承高度的影響

圖6給出了柔性鉸鏈支承高度分別為1、5和8 mm時的線切割軸承的承載性能隨轉(zhuǎn)速和偏心率的變化關(guān)系。

計算結(jié)果表明，柔性鉸鏈支承高度越高，線切割一體化軸承性能參數(shù)與固定瓦軸承性能參數(shù)差別越大，越接近于可傾瓦軸承。這是因為隨著支承高度增加，柔性鉸鏈旋轉(zhuǎn)剛度和徑向剛度都降低，柔性鉸鏈變形量增大，越與可傾瓦軸承相似，出現(xiàn)軸承承載性能下降。

5 結(jié)論

(1)利用重疊網(wǎng)格技術(shù)，對線切割一體化軸承性能進行雙向流固耦合求解是可行的；計算結(jié)果表明，隨著偏心率或轉(zhuǎn)速的增加，線切割一體化軸承的偏位角呈下降趨勢，黏度阻力、載荷呈上升趨勢。

(2)與不考慮支承變形相比，支承變形會減小瓦塊的旋轉(zhuǎn)剛度和徑向剛度，降低線切割一體化軸承的承載載荷，但可以改善軸承的靜特性；同時柔性支承寬度和高度對該軸承承載性能的影響比軸瓦厚度的影響更大。

(3)增大柔性支承寬度、降低支承高度，線切割一體化軸承的性能更接近固定瓦軸承；反之，線切割一體化軸承性能更接近于可傾瓦軸承。