0. 引言

Fluent作為流場仿真和分析的工具，可以相對準(zhǔn)確地給出動壓軸承油膜流動的相關(guān)特性，如速度場、壓力場、溫度場分布的時(shí)變特性，可以準(zhǔn)確預(yù)測流體在軸承中的流動狀態(tài)和油膜的整體性能，很容易從對流場的分析中發(fā)現(xiàn)軸承或工程設(shè)計(jì)中的問題。產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)與優(yōu)化對試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的依賴性將大為減少，能夠顯著縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)費(fèi)用。

1. 油膜尺寸的確定

環(huán)宇公司DQ11-100型滑動軸承主要為泰豪沈電、賽力盟以及南陽防爆等公司的電機(jī)產(chǎn)品作配套。作者以該型號軸承為分析對象，首先需計(jì)算確定軸承油膜尺寸及其相關(guān)參數(shù)。

初定電機(jī)轉(zhuǎn)速n=3000r/min；軸瓦內(nèi)孔直徑D=100mm。

依照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)公式，軸-軸瓦間間隙h=0.2013mm。

取定偏心率ε=0.6，據(jù)滑動軸承流體動壓潤滑理論，解得油膜偏位角θ=49.95°。

潤滑油密度取875Kg/m3，同時(shí)據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，潤滑油動力粘度η=0.0185Pa·s。

2. Fluent計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

據(jù)上相關(guān)尺寸參數(shù)，軸承采用兩端進(jìn)油，忽略相關(guān)油槽及孔，于Proe中繪制滑動軸承油膜計(jì)算模型，如圖1所示。

圖1 滑動軸承油膜三維模型

而后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證精度及后續(xù)求解計(jì)算的收斂，本例采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并適當(dāng)增加網(wǎng)格密度，劃分網(wǎng)格數(shù)為268077，如圖2所示。

圖2 軸承油膜網(wǎng)格模型

3. Fluent模擬仿真

轉(zhuǎn)入Fluent Solution模式。

首先，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，設(shè)定潤滑油材料。

而后，設(shè)定Viscous Model，選用層流Laminar模型，多相流模型使用混合模型Mixture，相數(shù)為兩相，并啟用空穴模型，當(dāng)油膜壓力低于某個(gè)值時(shí)，將析出空氣。

再后，設(shè)定進(jìn)出口邊界條件，進(jìn)口壓力這里設(shè)定的是2000Pa，出口壓力默認(rèn)，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，轉(zhuǎn)速定義到油膜的壁面上，為方便收斂和計(jì)算，適當(dāng)修改松弛因子和收斂精度等參數(shù)，給定一個(gè)空氣的初始體積分?jǐn)?shù)。

最后初始化求解模型，設(shè)定求解步數(shù)為500，運(yùn)行計(jì)算。

由殘差曲線圖，如圖3，約170次迭代計(jì)算后，趨于收斂，表明網(wǎng)格模型質(zhì)量較好，求解設(shè)置相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確。

圖3 殘差曲線圖

計(jì)算完成。輸出計(jì)算結(jié)果，油膜壓力場分布云圖如圖4-1所示，潤滑油油膜密度場分布如圖4-2所示，速度場分布如圖4-3所示。

1) 壓力場分布

2) 油膜密度分布

3) 速度場分布

圖4 轉(zhuǎn)速3000r/min計(jì)算結(jié)果

可見，油液從兩進(jìn)油孔流入，從軸瓦兩端流出。油膜分布在最小油膜厚度附近呈現(xiàn)非常明顯的壓力集中區(qū)，順著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向，壓力從進(jìn)油口逐漸增大達(dá)到正壓峰值后減小，通過最小油膜厚度處后進(jìn)入發(fā)散區(qū)，在油膜上半部分呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，這和理論研究的氣穴效應(yīng)非常一致。由于發(fā)散區(qū)負(fù)壓的存在，引起了氣穴現(xiàn)象，油膜在負(fù)壓區(qū)迅速破裂從而進(jìn)一步影響了油膜的壓力分布。

設(shè)定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n=1500r/min和n=6000r/min，得到對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的壓力場分布如圖5，圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)速1500r/min油膜壓力場分布

圖6 轉(zhuǎn)速3000r/min油膜壓力場分布

據(jù)圖4-1、圖5、圖6，得壓力極值如表1。轉(zhuǎn)速越大，油膜壓力極值越大。

表1 諸轉(zhuǎn)速壓力極值

4. 結(jié)論

建立了基于Fluent的滑動軸承油膜計(jì)算分析模型，引入空穴效應(yīng)，較為準(zhǔn)確地反映滑動軸承軸承油膜穩(wěn)態(tài)特性。順便指出，介于篇幅有限，引入溫粘效應(yīng)的軸承油膜溫度求解思路及仿真結(jié)果將于后期呈現(xiàn)。