导读：
应用CFD工具Fluent建立了滑动轴承压力求解分析模型,计算分析了普通圆柱轴承的压力分布和上、下瓦开槽对滑动轴承压力分布、承载和进油量等因素的影响。比较了CFD方法和Reynold方程计算结果的差别。结果表明:CFD方法和Reynold方程计算结果基本相同, CFD方法可以直接求解N2S方程,可以更准确地反映轴承动特性。下瓦开槽对进油量的影响不大,但会提高承压区最大压力,从而提高轴承稳定性;上瓦开槽对油膜压力的影响不大,但会导致进油量增加,更好地冷却轴颈。
正文：
液体动压轴承的结构特点：
(1)具有一定的初试间隙ho；
(2)润滑油有一定的黏度；
(3)轴表面与轴承表面问有一定的相对速度；
(4)工作时有偏心距；
(5)有一套供油装置，尽管供油装置有各种不同设计，但必须有一套供油装置。
滑动轴承是旋转机械的重要部件,直接影响到设备的安全、稳定运行。目前,国内外学者大多利用求解雷诺方程的方法研究滑动轴承动特性。这种方法具有计算时间短的突出优点。雷诺方程是N2S方程的简化,忽略了惯性项、油膜曲率等因素的影响。近年来,随着计算流体力学技术的发展和计算机性能的提高,人们开始通过直接求解N2S方程的方法研究轴承动特性。采用CFD建模,可以考虑任意轴承结构型式,如果与温粘方程等耦合起来,可以更全面、准确地反映轴承流体动特性。
本文作者在前人研究的基础上,利用FLUENT工具,建立了滑动轴承计算模型,比较了CFD方法和雷诺方程计算结果,研究了上、下瓦开槽对轴承动特性的影响。
1 FLUENT计算模型建立
以图1所示的普通圆柱轴承为研究模型,为了便于比较,轴承结构参数与文献[3]相同,轴承直径=50 mm,轴承宽度= 25 mm,转速= 9 550 r/min,相对间隙ψ= 01175% ,偏心率ε= 015,轴承水平中分面有2个进油槽。
润滑油牌号为HU220,油密度ρ=876 kg/m3,平均动力粘度μ= 01012 5 Pa・s,平均工作温度50℃。计算时忽略粘度随温度的变化。
边界条件:进油压力p= 01100115 MPa,出油压力p= 0110 MPa,从两侧油槽进油,轴承两端出油,轴颈转速n= 9 550 r/min,其它部分为固壁边界。
计算时采用四面体单元网格。轴承最小油膜厚度很薄,而且是主要的承压区,该处网格划分对计算收敛速度和计算结果的影响很大。本文作者建模时,轴承水平中分面以上周向方向设置120个节点,水平中分面以下设置160个节点,轴向设置100个节点。最小油膜厚度处网格密度是其它部位的113倍,总网格数是148 000个。图2为生成的网格结构图
为了分析不同网格密度对计算结果的影响,作者就52 000, 148 000和310 000 3种网格密度进行了比较,结果见表1。
表1网格密度对计算结果的影响：
从表中可以看出,网格数增大到一定程度后,压力和载荷值趋于稳定,但计算时间成倍增长。而且网格过密,最小油膜厚度附近的网格质量较差,会导致计算结果出现误差。综合考虑多方面因素,本例计算时,网格密度选择为148 000。
<2> 3种不同结构形式轴承计算结果比较
应用FLUENT方法和雷诺方程计算了普通圆柱轴承和上瓦、下瓦开槽圆柱轴承的压力场,并对最大压力、有效载荷和润滑油流量等特性数据进行了比较分析。
<2.1> 普通圆柱轴承
图3给出了普通圆柱轴承压力分布情况。从图中可以看出,最小油膜厚度附近油膜压力最大,在整个上半圆周区域内,出现负压区,这是由于轴颈偏心旋转和挤压作用所引起的。在负压区内,油膜会破裂,实际压力为0。
表2给出了CFD方法和雷诺方程计算结果的比较。从表中可以看出, 2种方法计算结果基本相同, CFD方法计算结果稍高于Reynold方程。
表2 CFD方法和Reynold方程计算结果的比较
<2.2> 上、下瓦开槽的轴承
工程上,经常会根据需要对轴承进行改进,其中最常见的就是在轴承上、下瓦中部开油槽。图4为上、下瓦开槽轴承结构简图。
图5、6给出了上、下瓦开槽后油膜压力分布图。比较图3和图5、6可以发现,下瓦开槽后压力分布有所变化,油槽部位基本建立不起动压,承压区压力分布更集中;上瓦开槽对承压区压力分布影响很小,上部的负压区在实际中油压为0。
表3给出了3种情况下最大压力、有效载荷和进油量的比较。表3 不同计算模型最大压力、有效载荷比较。
从表中可以看出,开槽后轴承压力分布和进油量发生了变化。下瓦开槽对进油量的影响不大,但会导致承压区最大压力提高,本例最大油膜压力提高了815%。比压增大可以有效地提高轴承稳定性。上瓦处于非承载区,上瓦开槽对油膜压力的影响不大,但会导致进油量增加。进油量增加能有效降低回油温度,可以更好地冷却轴颈。
<3> 结论
建立了滑动轴承动力特性CFD计算分析模型,计算结果与Reynold方程基本相同。CFD方法可以直接求解N2S方程,可以更准确地反映轴承动特性。随着计算机性能的提高, CFD方法计算所需时间较长已不是主要问题。应该指出,本文作者的研究尚处于初级阶段,温粘效应、空穴效应、动力特性等尚未考虑,这些问题将在后续工作中陆续开展。
