基于Fluent渦輪增壓器浮環(huán)軸承三維油膜力的仿真

鄭惠萍，彭立強，2

（1.河北科技大學機械工程學院，石家莊 050018；2.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130）

基于Fluent渦輪增壓器浮環(huán)軸承三維油膜力的仿真

鄭惠萍1，彭立強1，2

（1.河北科技大學機械工程學院，石家莊 050018；2.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300130）

浮環(huán)軸承具有結構簡單、成本低、穩(wěn)定性好、適應高轉速等特點而在航空機械、汽車發(fā)動機等領域得到廣泛的應用。本文首先通過Gambit軟件建立了浮環(huán)軸承的雙油膜有限元模型，然后利用fluent軟件對軸承的三維油膜力進行模擬分析，研究在相同供油壓力下，轉速對油膜力分布、承載力的影響。分析結果表明浮環(huán)軸承內外油膜均存在楔形的收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)，在這兩個區(qū)域上分別存在正壓值和負壓值，其最大值隨轉速的升高而增大；軸承內外油膜的承載力均隨轉速的增加而增大。三維仿真模擬得到的油膜壓力分布規(guī)律與文獻[1]理論計算結論一致，本文給出了一種較準確的油膜力計算方法為后繼的研究工作打下了基礎。

浮環(huán)軸承；油膜力；有限元模型；油膜承載力

鄭惠萍

畢業(yè)于天津大學機械學院，博士學位，現為河北科技大學機械工程學院教授，碩導，研究方向為機械系統動力學、工程仿真技術、故障檢測與診斷；已發(fā)表論文20余篇；主編和參編各類教材8部；參加撰寫專著1部；參研的科研成果曾獲教育部科技進步一等獎；教研成果曾獲河北省教學成果三等獎。

渦輪增壓器是一種空氣壓縮機，它對提高發(fā)動機的功率、減少燃油消耗起到非常重要的作用。隨著渦輪增壓器性能的不斷提高，增壓器轉子的工作轉速不斷提高，現在其轉子轉速最高可高達近30萬r/min。普通軸承已不能滿足其工作要求，而浮環(huán)軸承具有結構簡單、磨損小、穩(wěn)定性好等特點，它適用于高速輕載的場合，因此現在渦輪增壓器普遍采用浮環(huán)軸承作為其支撐。浮環(huán)軸承具有內外雙層油膜的特點，油膜的穩(wěn)定性及承載力關系到軸承的穩(wěn)定性，因此，研究浮環(huán)軸承油膜力的大小具有十分重要的意義。

浮環(huán)軸承具有雙層油膜的特點，浮環(huán)支撐將油膜分成內油膜和外油膜兩部分，當轉子轉動時，浮環(huán)在內、外油膜力的作用下運動，從而達到減小磨損，提高轉子系統穩(wěn)定性的作用。浮環(huán)軸承的模型示意圖如圖1所示。

對于浮環(huán)軸承油膜壓力的計算研究均是基于雷諾（Reynolds）方程，康召輝等[1]人深入研究了浮環(huán)的工作機理，建立了考慮油膜剪切效應的動力學模型，并利用有限差分法求出了浮環(huán)軸承的最大油膜壓力，得出浮環(huán)軸承外層油膜可以很好的改善系統油膜剛度和阻尼的非線性；郭紅、陳昌婷等[2]利用Ansys軟件建立了浮環(huán)軸承的實體模型，計算了浮環(huán)軸承內外油膜力，并分析了不同轉速下偏心率對油膜最小厚度、浮環(huán)變形量的影響；師占群、張浩等[3]針對浮環(huán)軸承在考慮供油壓力和油膜破裂的情況下，分析了載荷、供油壓力、轉子轉速等參數對浮環(huán)軸承靜平衡位置、油膜連續(xù)性以及軸承內間隙對潤滑的影響；刑彭齡[4]采用邊界元方法對軸承動力特性進行了分析，他指出偏心率為定值時，浮環(huán)內外表面油膜壓力隨著轉子轉速的升高而增大。此外，葉子波等[5]人通過數值計算，分析了渦輪增壓器中浮環(huán)軸承的結構參數對浮環(huán)軸承性能的影響，指出浮環(huán)偏心率的大小直接影響浮環(huán)軸承的承載能力，同時還研究了偏心率隨內外油膜間隙比變化而變化的規(guī)律。

以上對浮環(huán)軸承油膜力的計算分析多采用Matlab工具求解無量綱化的雷諾方程而得到的，本文采用fluent軟件，建立浮環(huán)軸承內外油膜的有限元模型，利用不可壓縮層流理論控制方程，進行求解浮環(huán)軸承的內外油膜壓力分布及油膜承載力，得到浮環(huán)軸承較為準確的油膜力分布規(guī)律，及轉速對油膜承載力的影響規(guī)律，為后續(xù)浮環(huán)軸承工作特性及穩(wěn)定性的研究奠定了基礎。

1 油膜控制方程

當浮環(huán)軸承處于穩(wěn)定工況下，軸承內外油膜的流動屬于三維定常不可壓縮流，且假設油膜不存在擠壓效應，流動狀態(tài)為層流。在利用Fluent軟件進行計算分析時，油膜流體必須同時滿足質量守恒和動量守恒方程。

1.1 質量守恒方程

將潤滑油視為穩(wěn)態(tài)的三維不可壓縮流體，密度ρ為常量，質量守恒方程為：

式中：ρ是潤滑油密度；t 是時間；v 是潤滑油流速。

1.2 動量守恒方程

黏度為定值的牛頓流體，其不可壓縮流體的動量方程如下[6]：

式中：μ 為動力黏度；Su，Sv，Sw分別是動能方程的廣義源項；u，v，w為速度矢量U在x，y，z三個方向上的分量。

2 實例分析

本文以某渦輪增壓器浮環(huán)軸承為例，進行計算分析，端部密封，浮環(huán)軸承基本參數：軸承寬度L=28 mm，浮環(huán)內半徑R1=3.4 mm，浮環(huán)外半徑R2=6.45 mm，軸頸半徑r=3.25 mm ，軸頸-浮環(huán)間隙C1=0.15 mm，軸瓦-浮環(huán)間隙C2=0.20 mm。當浮環(huán)套穩(wěn)定旋轉時，根據平衡條件，內外油膜壓力在浮環(huán)套上產生的合力應大小相等，方向相反，從而可確定不同轉速下的偏心率，同時渦輪增壓器的浮環(huán)-軸徑的轉速比與軸頸轉速之間的關系根據文獻[7]的分析結果確定。

2.1 有限元模型建立和網格劃分

利用前處理器Gambit軟件建立了浮環(huán)軸承的雙油膜模型，本文采用hex/wedge 單元類型，由于浮環(huán)軸承油膜厚度非常小，特別是在油膜承載區(qū)，其最小油膜厚度不足0.1 mm.。因此，在網格劃分時，對其進行網格細化，以提高計算的精度。

由于浮環(huán)軸承內、外油膜厚度方向尺寸比軸承軸向尺寸小很多，所以油膜流場內網格的長寬比較大，必須采用六面體網格方案；另外，對于油膜厚度方向，需要進行節(jié)點加密，使得軸承兩側壁面速度梯度不影響流場計算結果。本文利用GAMBIT 軟件劃分油膜流場網格，為了提高網格的質量，對于承載區(qū)域的弧線段的軸向與徑向分別進行細化， 在最小間隙處位置會自動生成楔形網格， 其余部分均自動生成六面體網格。浮環(huán)軸承內外油膜總單元數126 670，節(jié)點143 539，網格結構如圖2所示。

2.2 邊界條件設置

軸承潤滑采用層流模型，設置進、出口處的邊界條件分別為 pressure-inlet 和 pressure -outlet。本文計算的初始條件為：進口油壓為0.12 MPa，軸承兩側出口壓力為標準大氣壓，相對壓力為1個標準大氣壓,潤滑油黏度為0.018 Pa.s,潤滑油密度895 kg/m3，軸頸設定為以某轉速旋轉，其它為壁面（Wall）。

2.3 仿真分析

模擬求解采用了工程上最常用的一種流體計算方法—SMPLE算法，該方法屬于壓強速度耦合求解法，該方法求解的基本思想是：先假設一個速度分布，來求解首次迭代時的動量離散方程，得到壓力分布，根據這個壓力分布及速度分布再計算動量離散方程，從而對先前的壓力分布進行修正，同時檢查速度場的收斂情況，若不收斂，則以壓力場修正值作為初始值進行重復計算，直到收斂為止。

2.3.1 轉速對內外油膜壓力分布的影響

計算收斂后得到穩(wěn)態(tài)條件下浮環(huán)軸承的內外油膜壓力分布，如圖3、4、5所示，分別為軸頸轉速為100 000、150 000、200 000 r/min 時浮環(huán)軸承內外油膜的壓力分布。

由圖3～圖5可知：

（1）在穩(wěn)定工況下，在油膜厚度最小處兩側出現楔形的正壓區(qū)和負壓區(qū)，軸承內外油膜均有兩個非常明顯的壓力集中區(qū)，一個壓力收斂區(qū)，呈現正壓；一個壓力發(fā)散區(qū)，呈現負壓。

（2）隨著浮環(huán)軸承軸頸轉速的增加，軸承內外油膜正壓力增大，負壓值降低。由于油膜壓力發(fā)散區(qū)負壓的存在，而會導致油膜氣穴現象的出現，油膜負壓區(qū)迅速破裂，進一步影響油膜壓力的重新分布。

（3）在不同轉速條件下，內油膜壓力值均大于外油膜壓力值，隨轉速增大內外油膜相對壓力差減小。

2.3.2 轉速對油膜承載力的影響

油膜承載力是評價軸承工作能力的重要參數之一，承載力即軸承對轉子系統的支撐力，通過對浮環(huán)軸承內、外油膜承載區(qū)積分可得到油膜的承載力。通過調整內外油膜的偏心率，使浮環(huán)軸承的力矩基本達到平衡，這是軸承工作的首要條件，本文計算了軸承在不同轉速下內外油膜的承載力的大小，表1所示為轉子轉速分別為30 000、50 000 、80 000、150 000、200 000 r/min時對應的油膜承載力；如表1中轉速150 000、200 000 r/min對應的內、外油膜承載力分別是對圖4、5中內、外油膜壓力進行積分得到的。

表1 不同轉速軸承內外油膜的承載力

由表1可知：軸承內油膜承載力略大于外油膜承載力；軸承內外油膜的承載力均隨著轉速的增加而增大。這是由于軸頸轉速高于浮環(huán)轉速，其內油膜偏心率大于外油膜偏心率；浮環(huán)軸承內、外油膜力矩平衡是軸承穩(wěn)定工作的必要條件。

3 結論

本文采用Fluent軟件計算分析了某渦輪增壓器內外油膜的壓力分布，結果表明內外油膜在最小油膜處均存在正壓區(qū)和負壓區(qū)。正、負壓的最大值均隨轉速的增大而增大；在偏心率不變的情況下，計算了不同轉速下浮環(huán)軸承內外油膜的承載力，結果表明在其他參數不變時承載力隨著轉速的升高而增大。

通過CFD方法可以較好地計算浮環(huán)軸承內外油膜壓力的分布情況及油膜的承載力，可以得到比近似解析公式準確的承載力，對浮環(huán)軸承的動力學研究提供了有力的支持。本文分析是在對浮環(huán)軸承模型簡化的基礎上進行的模擬計算，關于軸承供油槽、油孔對油膜壓力分布的影響，以及浮環(huán)軸承的工作溫度、轉子振動對油膜特性的影響有待于后續(xù)的研究。

[1] 康召輝，任興民，黃金平，等. 浮環(huán)軸承系統中浮動環(huán)作用機理研究[J]. 振動工程學報，2009，22（5）：533-537.

[2] 郭紅，陳昌婷，岑少起.基于ansys的浮環(huán)動壓軸承中浮環(huán)的有限元分析[J]. 軸承，2011，(4)：9-13.

[3] 師占群，張浩，宋中越，等. 載荷和供油壓力對浮環(huán)軸承潤滑影響的理論研究[J]. 河北工業(yè)大學學報，2013，42（1）：61-69.

[4] 邢彭齡，楊德全，呂樹慧. 浮環(huán)轉速的變化對軸承動力特性的影響[J]. 內蒙古民族大學學報，2004，19（3）：257-260.

[5] 葉子波，梁榮光，張勇. 增壓器浮環(huán)軸承潤滑過程數值分析[J].潤滑與密封，2006，31（2）：98-101.

[6] 涂林，李多民，段滋華.基于Fluent的動壓徑向軸承油膜力場模擬研究[J].潤滑與密封，2011，36（4）：82-86.

[7] 張勇，葉子波. 浮環(huán)軸承潤滑過程的二維數值分析[J]. 軸承，2006，11：1-4.

[8] 徐思友，閆民，李光毅.考慮熱效應的浮環(huán)軸承轉速比計算[J]. 車用發(fā)動機，2010，6（5）：18-21

[9]周 鵬. 渦輪增壓器浮環(huán)軸承設計中的油膜特性及穩(wěn)定性研究[D].重慶大學，2013.

[10]Wang-X-L,Zhu-K-Q. A Study of the Lubricating Effectiveness of Micropolar Fluids in a Dynamically Loaded journal Bearing [J].Tribollnt.2004, 37(48):48-90.

專家推薦

鄧亞東：

本文選題有意義，系統性完整，仿真結果可信。

Simulation of Three-dimensional Oil Film Force on Turbocharger Floating Ring Bearing Based on Fluent

ZHENG Hui-ping1, PENG Li-qiang1,2
( 1.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China )

Floating ring bearings have been widely applied in aviation machinery, automobile engine etc for the characteristics of simple structure, low cost, good stability, suitable for high rotation speed etc. This paper first established a double oil films finite element model of floating ring bearing through Gambit software , and then three-dimensional oil film force of the bearing was simulated and analyzed using fluent software and the influence of the rotational speed to the oil film force distribution and bearing capacity was studied in the same oil pressure. Analysis results showed that inside and outside oil film in floating ring bearing have wedge-shaped the region of convergence and divergence zone. The positive pressure and negative pressure exist in these two regions respectively, and the maximum pressure value increases with the rise of rotational speed; inside and outside oil film bearing capacity increases with the rise of rotational speed. 3D simulation results showed that pressure distribution of oil film in floating ring bearings is consistent with documentation [1] theoretical study, this calculation method of oil film force in floating ring bearings is provided as the base of the latter research

floating ring bearing; oil film force; the finite element model; the bearing capacity of the oil film

TH117

A

1005-2550（2016）01-0007-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.001

2015-07-27

國家自然科學基金資助項目（51275150）河北科技大學五大平臺開放基金（2014PT48）