寶鋼高強軋機油膜軸承溫度場仿真分析

寶鋼高強軋機油膜軸承溫度場仿真分析

目前，中國大部分采用的線性鋸齒機的機械部分都是在中國制造的，只有少數(shù)零件是進口的，油膜軸承就是其中之一，其意義是非常重要的。這是因為有一些關鍵技術問題還沒有解決,比如油膜軸承在高速負載狀態(tài)下始終存在工作溫度偏高的問題;新裝輥箱更換上機后需要長時間的“跑合”后才能正常工作,甚至出現(xiàn)油膜軸承燒壞的惡性故障造成停機。出現(xiàn)這樣的問題主要是由于軸承在運行過程中局部配合過緊產生了接觸,瞬間產生了巨大的熱量,油膜軸承的溫度很快升高,把油膜燒壞的緣故。本文針對寶鋼285預精軋機的油膜軸承,采用RNGk-ε湍流模型對油膜軸承的溫度場進行了計算流體力學(CFD)仿真,根據仿真結果指導改進油膜軸承的配合,取得了很好的效果。1油膜軸承的建模軋輥軸的結構如圖1所示。軋輥軸本體是一斜齒輪軸,在其傳動側安裝了1只油膜軸承,以承受徑向載荷,并且在傳動側還安裝了1只徑向推力球軸承,用于承受軸向載荷。油膜軸承與球軸承安裝在一個偏心套里。在軋輥軸的工作側也安裝了1只油膜軸承,在其外部套裝偏心套。油膜軸承的外徑206.8mm,軸瓦厚度8mm,軸瓦寬度108mm,與其配合的輥軸小端外徑190.45mm,大端外徑190.6mm,輥軸長度130mm,軸瓦上油孔為3個,油孔直徑16mm,油孔均勻分布。油膜軸承的三維模型完全按照實際情況用fluent處理軟件gambit繪制。計算區(qū)域的劃分采用結構化網格與非結構化網格的混合網格形式,計算中通過自適應技術加密網格,網格總數(shù)約為30萬。圖2給出了網格示意圖。2數(shù)字方法:“re體”模型RNGk-ε模型是從暫態(tài)N-S方程中推出的,使用了一種叫“RenormalizationGroup”的數(shù)學方法。運算中求解的方程如下。(1)方程的連續(xù)性?ρ?t+??(ρ→v)=Sm(1)式中,ρ為流體密度;→v為速度矢量;Sm為源項。(2)靜壓頭應力張量的計算??t(ρ→v)+??(ρ→v→v=-?p+??(?τ)+ρ→g+→F(2)?τ=μ[(?→v+?→vΤ)-23??→vΙ](3)式中,p為靜壓頭;?τ為應力張量;ρ→g為重力場體積力;→F各為受到的外部體積力(如場力);μ為剪切粘性系數(shù);I為單位張量。(3)+k-r的數(shù)學模型由于傳統(tǒng)的K-ε模型被認為不適合于計算具有很強旋轉的流場,故本文模擬時采用的是RNGK-ε模型,它與K-ε模型具有相似的形式:??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj(αkμeff?k?xj)+Gk+Gb-ρε-YΜ+Sk(4)??t(ρε)+??xi(ρεui)=??xj(αεμeff?ε?xj)+C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k-Rε+Sε(5)μeff=ρCμk2ε(6)Gk=-ρˉu′iu′j?uj?xi(7)Gb=-giμtρΡrt?ρ?xi(8)Rε=Cμρη3(1-η/η0)1+βη3ε2k(9)式中,μeff為有效粘度;Gk為由于平均速度梯度而產生的湍流動能;Gb為由于浮力而產生的湍流動能;YM為可壓縮湍流中振蕩性擴張對整個動能消耗率的貢獻,在本文中由于使用了不可壓縮模型,此項為0;C1ε、C2ε和C3ε為常數(shù);Sk和Sε是用戶可以自定義的項,本文運算中沒有加入這兩項;Cμ=0.0845;η≡Sk/ε,η0=4.38;β=0.012。(4)有效熱傳導系數(shù)??t(ρE)+??xi[μi(ρE+p)]=??xj[keff?Τ?xj+μi(τij)eff]+Sm(10)式中,E為總能量;keff為有效熱傳導系數(shù);(τij)eff為偏應力張量。3轉速和出口設置軋輥軸與油膜軸承的最小間隙取0.07mm。內壁設為旋轉的,轉速500～1148r/min;出口分為左右兩邊出口,均設為壓力出口,左右兩邊出口均設為有逆流;進油口為體積流量(kg/s),每個孔的流量是7.9167L,輸入油溫38℃。4最高溫度的確定運算收斂后,殘差最大值在于連續(xù)性方程,最大值為3.3231×10-4。以1148r/min為例,仿真的結果見圖3。圖3(a)為仿真結果溫度場總體分布,可以看出軸承在1148r/min時最高溫度為391.1768K(即為118.1768℃),與壁面的溫差為26.1768℃。圖3(b)是局部放大的溫度分布圖,可以看出靠近大端的地方溫度比較高,以y=0面將其分成左右2邊,左邊是發(fā)散區(qū),右邊是收斂區(qū),明顯可以看出發(fā)散區(qū)溫度高的部分比收斂區(qū)的要大。另外,對輥軸的轉速從500～1100r/min,每隔100r也同樣做了仿真,具體的仿真結果見表1?？梢钥闯?軋機在最高轉速下的最高溫度為118℃左右、溫度高的地方主要集中在輥軸的大端、輥軸的轉速每增加100r軸承的最高溫度升高4℃左右,仿真的結果與實際情況是一致的。5輥軸與油膜軸承的配合在上面的仿真過程中取軋輥軸與油膜軸承的間隙最小值為0.07mm,可以想象軋機在工作過程中溫度的變化與軋輥軸和油膜軸承的間隙有著直接的關系。但是,軋機在工作過程中油膜厚度是無法測量的,只有根據經驗定其值。為此,對油膜厚度的最小值分別為0.10、0.05、0.03mm時也做了如上仿真,仿真的結果如圖4所示?？梢钥闯鰡渭兏淖冚佪S與油膜軸承的間隙并不能達到預期的效果。從上面的仿真可知,影響承載力的主要因素包括軸頸速度、潤滑油粘度、收斂區(qū)楔形梯度。軸頸轉速越快軋制力越大,潤滑油粘度越大承載力越大。另外,油膜軸承內表面因油膜壓力大產生的彈性變形及因軋制力大而產生的軸頸撓度變形都會使收斂楔形梯度變小,從而使承載力變小。因此,要想降低軋機的工作溫度必須改變輥軸與油膜軸承的配合,增大收斂楔形梯度。以1148r/min為例,輥軸與油膜軸承的配合改進后的仿真結果如圖5所示。對輥軸的轉速從500～1100r/min也同樣做了仿真,具體的仿真結果見表2。這一仿真結果與實際非常吻合,實際軋機的油膜軸承改進配合后,在最高轉速1148r/min工況下的溫度為86℃左右。另外從仿真和實際測量中都發(fā)現(xiàn),油膜軸承配合改進后油膜軸承的溫度場分布比改進前均勻了很多。該結果應用于在寶鋼條鋼廠,很好地解決了困擾寶鋼條鋼廠以前油膜軸承溫度過高這一技術難題。6溫度對油膜軸承影響(1)油膜軸承溫度最高的區(qū)域是在承載區(qū)靠近大端的一側,在原配合工況下,油膜軸承在最高轉速1148r/min工況下的溫度達到118