寶鋼高強(qiáng)軋機(jī)油膜軸承溫度場(chǎng)仿真分析

寶鋼高強(qiáng)軋機(jī)油膜軸承溫度場(chǎng)仿真分析

目前，中國(guó)大部分采用的線性鋸齒機(jī)的機(jī)械部分都是在中國(guó)制造的，只有少數(shù)零件是進(jìn)口的，油膜軸承就是其中之一，其意義是非常重要的。這是因?yàn)橛幸恍╆P(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有解決,比如油膜軸承在高速負(fù)載狀態(tài)下始終存在工作溫度偏高的問(wèn)題;新裝輥箱更換上機(jī)后需要長(zhǎng)時(shí)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(jī)。出現(xiàn)這樣的問(wèn)題主要是由于軸承在運(yùn)行過(guò)程中局部配合過(guò)緊產(chǎn)生了接觸,瞬間產(chǎn)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(duì)寶鋼285預(yù)精軋機(jī)的油膜軸承,采用RNGk-ε湍流模型對(duì)油膜軸承的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真,根據(jù)仿真結(jié)果指導(dǎo)改進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。軋輥軸本體是一斜齒輪軸,在其傳動(dòng)側(cè)安裝了1只油膜軸承,以承受徑向載荷,并且在傳動(dòng)側(cè)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(gè)偏心套里。在軋輥軸的工作側(cè)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(zhǎng)度130mm,軸瓦上油孔為3個(gè),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(shí)際情況用fluent處理軟件gambit繪制。計(jì)算區(qū)域的劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的混合網(wǎng)格形式,計(jì)算中通過(guò)自適應(yīng)技術(shù)加密網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)約為30萬(wàn)。圖2給出了網(wǎng)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(xué)方法。運(yùn)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(xiàng)。(2)靜壓頭應(yīng)力張量的計(jì)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(yīng)力張量;ρ→g為重力場(chǎng)體積力;→F各為受到的外部體積力(如場(chǎng)力);μ為剪切粘性系數(shù);I為單位張量。(3)+k-r的數(shù)學(xué)模型由于傳統(tǒng)的K-ε模型被認(rèn)為不適合于計(jì)算具有很強(qiáng)旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng),故本文模擬時(shí)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(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為由于浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流中振蕩性擴(kuò)張對(duì)整個(gè)動(dòng)能消耗率的貢獻(xiàn),在本文中由于使用了不可壓縮模型,此項(xiàng)為0;C1ε、C2ε和C3ε為常數(shù);Sk和Sε是用戶可以自定義的項(xiàng),本文運(yùn)算中沒(méi)有加入這兩項(xiàng);Cμ=0.0845;η≡Sk/ε,η0=4.38;β=0.012。(4)有效熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù);(τij)eff為偏應(yīng)力張量。3轉(zhuǎn)速和出口設(shè)置軋輥軸與油膜軸承的最小間隙取0.07mm。內(nèi)壁設(shè)為旋轉(zhuǎn)的,轉(zhuǎn)速500～1148r/min;出口分為左右兩邊出口,均設(shè)為壓力出口,左右兩邊出口均設(shè)為有逆流;進(jìn)油口為體積流量(kg/s),每個(gè)孔的流量是7.9167L,輸入油溫38℃。4最高溫度的確定運(yùn)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(jié)果見(jiàn)圖3。圖3(a)為仿真結(jié)果溫度場(chǎng)總體分布,可以看出軸承在1148r/min時(shí)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(duì)輥軸的轉(zhuǎn)速?gòu)?00～1100r/min,每隔100r也同樣做了仿真,具體的仿真結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?軋機(jī)在最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速每增加100r軸承的最高溫度升高4℃左右,仿真的結(jié)果與實(shí)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(guò)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(jī)在工作過(guò)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(guān)系。但是,軋機(jī)在工作過(guò)程中油膜厚度是無(wú)法測(cè)量的,只有根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定其值。為此,對(duì)油膜厚度的最小值分別為0.10、0.05、0.03mm時(shí)也做了如上仿真,仿真的結(jié)果如圖4所示。可以看出單純改變輥軸與油膜軸承的間隙并不能達(dá)到預(yù)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(rùn)滑油粘度、收斂區(qū)楔形梯度。軸頸轉(zhuǎn)速越快軋制力越大,潤(rùn)滑油粘度越大承載力越大。另外,油膜軸承內(nèi)表面因油膜壓力大產(chǎn)生的彈性變形及因軋制力大而產(chǎn)生的軸頸撓度變形都會(huì)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(jī)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(jìn)后的仿真結(jié)果如圖5所示。對(duì)輥軸的轉(zhuǎn)速?gòu)?00～1100r/min也同樣做了仿真,具體的仿真結(jié)果見(jiàn)表2。這一仿真結(jié)果與實(shí)際非常吻合,實(shí)際軋機(jī)的油膜軸承改進(jìn)配合后,在最高轉(zhuǎn)速1148r/min工況下的溫度為86℃左右。另外從仿真和實(shí)際測(cè)量中都發(fā)現(xiàn),油膜軸承配合改進(jìn)后油膜軸承的溫度場(chǎng)分布比改進(jìn)前均勻了很多。該結(jié)果應(yīng)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(guò)高這一技術(shù)難題。6溫度對(duì)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(cè),在原配合工況下,油膜軸承在最高轉(zhuǎn)速1148r/min工況下的溫度達(dá)到118