三油楔滑動軸承動力特性數(shù)值研究

孫 丹，韋純浩，王 雙，李勝遠，艾延廷(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

航空宇航工程

三油楔滑動軸承動力特性數(shù)值研究

孫 丹，韋純浩，王 雙，李勝遠，艾延廷
(沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，沈陽 110136)

應(yīng)用CFD動網(wǎng)格技術(shù)建立了三油楔滑動軸承動力特性求解模型。在驗證求解模型準確性的基礎(chǔ)上，研究了三油楔滑動軸承的流場特性，流體動壓效應(yīng)形成條件以及楔形度、偏心率、轉(zhuǎn)速、偏位角、供油壓力等因素對三油楔滑動軸承動力特性的影響。研究結(jié)果表明，隨著偏心率的增加，三油楔滑動軸承的收斂楔形間隙逐漸變成發(fā)散楔形間隙，不再滿足流體動壓形成條件，使油膜正壓區(qū)由3個逐漸變成1個。隨著楔形度的增加，剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù)變化不大，直接阻尼系數(shù)隨之減??；隨著偏心率的增大，剛度阻尼系數(shù)絕對值均隨之增大；隨著轉(zhuǎn)速增大，直接剛度和阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度系數(shù)絕對值隨之增大；隨著偏位角的增大，直接剛度和交叉阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度與直接阻尼系數(shù)的絕對值均隨之減??；供油壓力對三油楔滑動軸承剛度阻尼系數(shù)影響較小，因此降低楔形度、轉(zhuǎn)速、偏位角，增加偏心率將更有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

三油楔滑動軸承；轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；動力特性；動網(wǎng)格

隨著旋轉(zhuǎn)機械向高參數(shù)方向發(fā)展，滑動軸承的動力特性系數(shù)是評價轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的重要參數(shù)。研究表明，相比于傳統(tǒng)的圓軸承和橢圓軸承，三油楔滑動軸承在轉(zhuǎn)子較大偏心下，仍然具有較好的動力特性，因此被廣泛應(yīng)用于汽輪機、燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械[1-4]。

目前滑動軸承動力特性求解方法主要包括雷諾方程方法和CFD方法。早期國內(nèi)外研究者大多利用雷諾方程的方法研究滑動軸承的動力特性[5-7]，由于雷諾方程是N-S方程的簡化，忽略了慣性項、油膜曲率等重要因素，且當軸承形狀和流體物性參數(shù)復(fù)雜時，其應(yīng)用受到了限制。近年來，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展和計算機性能的提高，研究者逐漸通過CFD軟件直接求解N-S方程的方法來研究滑動軸承的動力特性[8-9]。Guo等[10]應(yīng)用CFD動網(wǎng)格方法建立了滑動軸承動力特性求解模型，研究了擾動位移與擾動速度對滑動軸承動力特性的影響;高慶水[11]、于桂昌[12]、熊萬里[13]等人均建立了滑動軸承動力特性CFD求解模型。但上述文獻均研究傳統(tǒng)圓軸承的動力特性，張艾萍[14]研究表明，與圓軸承和橢圓軸承相比，三油楔滑動軸承不容易發(fā)生油膜震蕩失穩(wěn)故障，更有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，但現(xiàn)有文獻對三油楔滑動軸承動力特性的研究較少，且未對其影響因素給予詳細分析。

本文應(yīng)用CFD動網(wǎng)格技術(shù)建立了三油楔滑動軸承動力特性求解模型，在驗證求解模型準確性的基礎(chǔ)上，研究了三油楔滑動軸承的流場特性，流體動壓效應(yīng)形成條件以及楔形度、偏心率、轉(zhuǎn)速、偏位角、供油壓力等因素對三油楔滑動軸承動力特性的影響。

1 基于動網(wǎng)格技術(shù)滑動軸承動力特性求解模型

1.1 三油楔滑動軸承動力特性理論求解模型

當轉(zhuǎn)子在靜平衡位置處受到微小擾動時，油膜力的變化量與動力特性系數(shù)和小擾動量近似成線性關(guān)系，其關(guān)系式為[15-16]

(1)

式(1)中，ΔFx，ΔFy為油膜力的變化量，Kxx，Kxy，Kyx，Kyy為剛度系數(shù)，Cxx，Cxy，Cyx，Cyy為阻尼系數(shù)，(x,y)為轉(zhuǎn)子渦動位移，(x′,y′)為轉(zhuǎn)子渦動速度。

由式(1)可得滑動軸承動力特性系數(shù)求解公式為

(2)

式(2)中，ΔFdij為位移擾動前后油膜力的變化量，ΔFvij為速度擾動前后油膜力的變化量。如圖1所示，令轉(zhuǎn)子在x方向產(chǎn)生小位移擾動量Δx，Δy、x′、y′均為0，根據(jù)位移擾動前后油膜力的變化量ΔFdxx和ΔFdyx，由式(2)便可求解滑動軸承剛度系數(shù)Kxx，Kyx。同理建立y方向的小位移擾動量Δy，便可求解剛度系數(shù)Kxy、Kyy。對于阻尼系數(shù)，需要使用CFD動網(wǎng)格技術(shù)，分別建立轉(zhuǎn)子在x方向和y方向的小速度擾動量，根據(jù)速度擾動前后油膜力的變化量，求解滑動軸承阻尼系數(shù)。

圖1 三油楔滑動軸承動力特性求解模型

1.2 三油楔滑動軸承動力特性數(shù)值求解模型

1.2.1 求解模型

三油楔滑動軸承的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出，三油楔滑動軸承具有幾何中心O、轉(zhuǎn)子中心O′以及油楔弧中心O1、O2、O3這3個重要位置。其中油楔弧中心與軸承幾何中心O之間的預(yù)偏心距為d，油楔弧參考半徑為R，轉(zhuǎn)子半徑為r，油膜半徑間隙為c,預(yù)偏心距與軸承半徑間隙之比為三油楔軸承楔形度γ。

3.3.2 追肥 應(yīng)按照“適、巧、淺、勻”要求，依據(jù)樹齡、樹勢和目標產(chǎn)量，于最需肥時期施入相應(yīng)肥料，并攪拌均勻。

對于本文研究的三油楔滑動軸承，其軸承寬度L=25 mm，軸承參考半徑R=25 mm，楔形度為γ=0.1,轉(zhuǎn)子半徑r=24.95 mm，3個油楔的最小油膜厚度分別為0.049 53 mm、0.050 09 mm和0.050 38 mm，轉(zhuǎn)子偏位角ψ=49.8°，偏心率ε=0.01。

圖2 三油楔滑動軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 網(wǎng)格劃分

圖3為三油楔滑動軸承網(wǎng)格圖。本文采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格以提高計算精度與節(jié)約計算時間。油膜間隙對計算結(jié)果影響較大，因此對油膜厚度方向加密處理，考慮到計算精度和計算時間等因素，經(jīng)無關(guān)性驗證后，三油楔滑動軸承的網(wǎng)格數(shù)最后確定為59.4萬。

圖3 三油楔滑動軸承網(wǎng)格圖

1.2.3 邊界條件

本文研究的三油楔滑動軸承的供油壓力為103 kPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ω=9 550 r/min。潤滑油密度ρ=876 kg/m3，動力粘度μ=0.0125 Ns/m2，潤滑油的平均工作溫度t=50 ℃。流體域流動狀態(tài)為層流。固體壁面為固定無滑移邊界，近壁面采用改進壁面函數(shù)法處理。

1.2.4 動網(wǎng)格技術(shù)

本文應(yīng)用CFD軟件求解N-S方程。求解滑動軸承阻尼系數(shù)時，為實現(xiàn)速度擾動，需要應(yīng)用CFD動網(wǎng)格技術(shù)。CFD動網(wǎng)格技術(shù)主要是采用動邊界文件(profile)方式，將轉(zhuǎn)子表面設(shè)置一勻速運動邊界條件，其時間步長取為0.001s，時間步數(shù)由偏移距離與擾動速度確定，每一時間步控制方程迭代殘差均保證小于10-3。

1.2.5 求解模型準確性驗證

文獻[10]研究了圓軸承的動力特性并分析了其影響因素，該圓軸承寬25 mm，轉(zhuǎn)子直徑50 mm，偏心率為0.5，偏位角49.8°，軸承半徑間隙為0.05 mm，油槽軸向長度3.75 mm，油槽周向角度為30°，潤滑油密度876 kg/m3，供油壓力103 kPa。為驗證本文求解模型的準確性，將使用本文求解模型計算的該圓軸承的動力特性系數(shù)與文獻[7]、[10]的計算結(jié)果相比，圓軸承的計算后果如表1所示，三者相對偏差如表2所示。其中文獻[7]為應(yīng)用Reynolds方程方法求解滑動軸承的動力特性系數(shù)，文獻[10]應(yīng)用CFD軟件CFX-TASCflow軟件求解層流模型的方法。由表2可以看出，本文求解模型的計算結(jié)果與文獻[10]中CFX-TASCflow軟件計算結(jié)果相差不大。與文獻[7]中Reynolds方程方法相比，交叉項系數(shù)相差較大，這主要是由于兩者求解方程不同引起的。

文獻[7]中采用了雷諾方程方法研究滑動軸承的動力特性，由于雷諾方程是N-S方程的簡化，忽略了慣性項、油膜曲率等重要因素，且當軸承形狀和流體物性參數(shù)復(fù)雜時，其應(yīng)用受到了限制。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展和計算機性能的提高，研究者逐漸通過CFD軟件直接求解N-S方程的方法來研究滑動軸承的動力特性。本文采用的方法和文獻[10]中CFX-TASCflow的方法均為CFD方法，其優(yōu)點是直接求解三維未經(jīng)簡化的N-S方程，與傳統(tǒng)雷諾方程相比求解精度較高，但其缺點是求解效率較低。

表1 圓滑動軸承剛度阻尼系數(shù)計算結(jié)果

表2 圓軸承計算結(jié)果與文獻計算結(jié)果相對偏差比較

注：剛度系數(shù)比較以擾動位移x/h，y/h=0.005模型為例，阻尼系數(shù)比較以擾動速度模型為例。

2 三油楔滑動軸承流場特性分析

圖4給出了不同偏心率下三油楔滑動軸承的油膜壓力分布圖。由于三油楔滑動軸承油膜不能承受較大負壓，因此對油膜負壓區(qū)應(yīng)用Reynolds邊界條件，對負壓置零處理。由流體動壓潤滑理論可知，潤滑油從進油口進入，順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向，在由最大間隙到最小間隙的1/6圈內(nèi)，間隙是由大變小的收斂楔形間隙，收斂楔形間隙為油膜能產(chǎn)生流體動壓以承受外載的主要幾何條件。而在由最小間隙到最大間隙的1/6圈內(nèi)，為發(fā)散楔形間隙，在此區(qū)域內(nèi)油膜壓力急劇降低，油膜因不能承受負壓而破裂。由圖4中可以看出，三油楔滑動軸承在轉(zhuǎn)子偏心率較小時，形成3個收斂楔形間隙，形成3個正壓區(qū)。隨著偏心率的增加，收斂楔形間隙逐漸變成發(fā)散楔形間隙，不再滿足滑動軸承流體動壓形成條件，油膜正壓區(qū)逐漸由3個變成2個，最后變成1個。

圖4 三油楔滑動軸承的壓力分布特征

3 三油楔滑動軸承動力特性分析

3.1 楔形度對三油楔滑動軸滑動軸承動力特性影響分析

圖5給出了不同楔形度對三油楔滑動軸承動力特性的影響。由圖5可以看出，隨著楔形度的增大，三油楔滑動軸承的剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù)變化較小，直接阻尼系數(shù)隨之減小，因此增加楔形度會降低轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

3.2 偏心率對三油楔滑動軸承動力特性影響分析

圖6給出了不同偏心率對三油楔滑動軸承動力特性影響曲線。由圖6可以看出，隨著偏心率的增大，剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)的絕對值均隨之增大，因此增加偏心率可提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

圖5 楔形度對三油楔滑動軸承動力特性的影響

圖6 偏心率對三油楔滑動軸承動力特性影響

3.3 轉(zhuǎn)速對三油楔滑動軸承動力特性影響分析

圖7給出了不同轉(zhuǎn)速對三油楔滑動軸承動力特性影響曲線。從圖7中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增大，三油楔滑動軸承的直接剛度和阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度系數(shù)絕對值隨之增大，因此增加轉(zhuǎn)速降低了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

圖7 轉(zhuǎn)速對三油楔滑動軸承動力特性影響

3.4 偏位角對三油楔滑動軸承動力特性影響分析

圖8給出了不同偏位角對三油楔滑動軸承動力特性影響。由圖8可以看出，隨著偏位角的增大，直接剛度和交叉阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度與直接阻尼系數(shù)的絕對值均隨之減小，因此減小偏位角更有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

圖8 偏位角對三油楔滑動軸承動力特性影響

3.5 進油壓力對三油楔滑動軸承動力特性影響分析

圖9給出了不同壓力對三油楔滑動軸承動力特性影響曲線。由圖9可以看出，隨著供油壓力的增大，三油楔滑動軸承剛度和阻尼系數(shù)無明顯變化，因此三油楔軸承的供油壓力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響較小。

圖9 進油壓力對三油楔滑動軸承動力特性影響

4 結(jié)論

本文應(yīng)用CFD動網(wǎng)格技術(shù)建立了三油楔滑動軸承動力特性求解模型。在驗證求解模型準確性的基礎(chǔ)上，研究了三油楔滑動軸承流場特性，流體動壓效應(yīng)形成條件以及楔形度、偏心率、轉(zhuǎn)速、偏位角、供油壓力等因素對三油楔滑動軸承動力特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著偏心率的增加，三油楔滑動軸承中的收斂楔形間隙逐漸變成發(fā)散楔形間隙，不滿足流體動壓形成條件，使正壓區(qū)從原來的3個逐漸變成了1個。

(2)隨著楔形度的增加，剛度系數(shù)和交叉阻尼系數(shù)變化不大，直接阻尼系數(shù)隨之減??；隨著偏心率的增大,滑動軸承動力特性系數(shù)絕對值均隨之增大；隨著轉(zhuǎn)速增大，直接剛度和阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度系數(shù)絕對值隨之增大；隨著偏位角的增大，直接剛度和交叉阻尼系數(shù)變化較小，交叉剛度與直接阻尼的絕對值均隨之減??；供油壓力對三油楔滑動軸承剛度阻尼系數(shù)影響較小。

(3) 降低楔形度、轉(zhuǎn)速、偏位角，增加偏心率將更有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，供油壓力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響較小。

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Numericalstudyondynamiccharacteristicsofthree-lobejournalbearing

SUN Dan,WEI Chun-hao,WANG Shuang,LI Sheng-yuan,AI Yan-ting
(Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology of Aviation Propulsion System,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

A solving model of the dynamic characteristics of three-lobe journal bearings was established by CFD technology.After the accuracy was verified,the model was used to investigate the flow characteristics of three-lobe journal bearings,the formation of hydrodynamic action and effects of wedge degree,eccentricity,inlet pressure,and rotational speed.The results show that with the increase of eccentricity,gaps of the lobes get big gradually,which cannot form hydrodynamic action and make the three positive pressure areas of oil film become one area.Stiffness coefficient and cross damping coefficient remain relatively unchanged,while direct damping coefficient decreases with the increase of wedge degree.Absolute values of stiffness and damping coefficients increase as the eccentricity ratio increases.With increasing rotational speed direct stiffness and damping coefficients have no obvious change,but absolute value of cross stiffness increases.Both cross stiffness and direct stiffness change slightly,and their absolute values decrease as attitude angle increases.Oil supply pressure has a minor effect on stiffness and damping coefficients.Therefore,the decrease of wedge degree,rotational speed and attitude angle and the increase of eccentricity are good for stability of the rotor.

three-lobe journal bearing;rotor stability;dynamic characteristics;dynamic mesh

2017-05-17

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51675351)

孫 丹(1981-)，男，遼寧丹東人，副教授，博士，主要研究方向：透平機械滑動軸承與密封動力特性，E-mail:phd_sundan@163.com。

2095-1248(2017)06-0009-07

TH133.31；O242.21

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.06.002

吳萍 英文審校：趙歡)