李　婷　馬吉恩　章　禹　方攸同

浙江大學(xué)，杭州，310027

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基于CFD的磁流體軸承潤滑膜特性分析

李婷馬吉恩章禹方攸同

浙江大學(xué)，杭州，310027

磁流體軸承具有轉(zhuǎn)速高、密封性好、承載力強等優(yōu)點，符合高速鐵路中的應(yīng)用需求。提出一種磁流體軸承結(jié)構(gòu)，并運用CFD方法對軸承潤滑區(qū)的承載性能以及熱效應(yīng)問題進行了仿真計算，在此基礎(chǔ)上進一步分析了偏心率對軸承承載力及溫升的影響規(guī)律，為之后磁流體軸承的進一步設(shè)計提供幫助。

磁流體軸承；CFD；氣穴模型；潤滑特性

0　引言

高速是我國鐵路發(fā)展的主要方向。為了適應(yīng)高速牽引電機軸承的高速、重載等使用要求，軸承必須具有優(yōu)異的密封、振動、溫升、承載力等性能指標(biāo)，才能使工作壽命延長[1]。

磁流體是由納米級尺寸的磁性固體顆粒經(jīng)由界面活性劑均勻地分散在液體介質(zhì)中而形成的一種磁性膠體溶液[2]。這種新型的功能性液體在具備流體特性的同時，也擁有和磁性材料相類似的特性。在外加磁場作用下，其流變性與空間形態(tài)能夠被控制。磁流體軸承就是利用磁流體的這些特殊性能而發(fā)展起來的一種新型軸承。

早在20世紀60年代，已有學(xué)者開展磁流體潤滑滑動軸承的理論研究。文獻[3]開創(chuàng)性地對非均勻磁場作用下的磁流體潤滑軸承進行了研究，得到了外加磁場在轉(zhuǎn)動軸上作用的磁懸浮力會使軸承的承載能力提高的結(jié)論。文獻[4]對磁流體在短軸承中的應(yīng)用進行了理論研究，研究表明，在一定磁場強度范圍內(nèi)，磁流體的應(yīng)用令潤滑膜的承載能力大大增加，同時軸承的穩(wěn)定性和剛度也得以提高。文獻[5]對耦合應(yīng)力作用下的磁流體軸承承載能力進行了計算，計算結(jié)果顯示，端泄會在極大程度上降低潤滑膜承載力，高轉(zhuǎn)速則利于全油膜潤滑的建立。文獻[6]對磁流體軸承的設(shè)計以及應(yīng)用進行了系統(tǒng)概括，并展示了近年來磁流體設(shè)計方面的成果。種種研究表明磁流體軸承相對于傳統(tǒng)軸承有著更多的優(yōu)點。

磁流體軸承以磁流體為潤滑介質(zhì)，在外加磁場的影響下，依靠磁流體的自密封能力，可以防止泄漏以及外界污染物進入軸承間隙，故具有良好的密封性；由于磁流體潤滑能夠提供平穩(wěn)的低摩擦潤滑，且具有良好的可控性，因而振動?。徊捎么帕黧w潤滑的摩擦因數(shù)小，所以發(fā)熱少；由于存在磁場，使得在高速高溫情況下?lián)碛懈叩某休d力。鑒于以上優(yōu)點，磁流體軸承非常適合用作高速鐵路機車牽引電機軸承。

本文建立了磁流體軸承的三維仿真模型，運用Fluent軟件對磁流體軸承潤滑區(qū)特性進行仿真計算，著重分析潤滑區(qū)的承載性能以及熱效應(yīng)問題。為了討論軸承承載力以及溫升情況與軸頸偏心變化的關(guān)系，分別建立了不同偏心率情況下的磁流體軸承模型，單獨改變軸頸偏心量，通過仿真分析其對軸承承載力及溫升的影響。

1　磁流體軸承的應(yīng)用優(yōu)勢和原理

1.1對比普通軸承的應(yīng)用優(yōu)勢

牽引電機軸承是保證鐵路機車安全運行的重要部件之一。對于高速鐵路機車牽引電機來說，其轉(zhuǎn)速較高、啟動快、運行久，因而對軸承的穩(wěn)定性有更高的要求[7]。

目前，滾珠軸承應(yīng)用最為廣泛，其在精密程度方面具有一定的優(yōu)勢，但在高速以及高溫等特殊工況下工作會產(chǎn)生許多問題。例如，高速情況下會使?jié)櫥w濺，磨損加劇，產(chǎn)生振動與噪聲；高溫情況下潤滑油脂破壞會致使軸承壽命縮減等。相比較而言，空氣軸承依靠空氣不磨損接觸件的特性，使得軸承壽命大大延長。但是，空氣軸承的剛性不如機械軸承，且對生產(chǎn)制造工藝有很高的要求，并需要無水、無油、無塵的空氣。相比于滾珠與空氣軸承，普通油膜潤滑滑動軸承依靠其較大的黏度而具有更好的抗振能力及承載能力。但是，普通油膜潤滑滑動軸承為了實現(xiàn)潤滑和散熱，需要配置大功率的供油系統(tǒng)來不斷注入潤滑油，這使系統(tǒng)成本增加的同時也帶來了維護和保養(yǎng)的不便。

磁流體軸承是20世紀60年代配合核動力技術(shù)而發(fā)展起來的新型軸承，是以加入了磁性固體顆粒的載液(即磁流體)作為潤滑介質(zhì)進行潤滑的軸承。與傳統(tǒng)軸承相比，這種軸承具有一系列特性：①在外加磁場的影響下，依靠磁性固體顆粒表面特殊液態(tài)膜的保護而具有更穩(wěn)定的潤滑狀態(tài)，從而防止端泄以及外界污染物進入軸承間隙，起到自潤滑密封的作用；②由于加入到摩擦副中的磁性固體顆粒大小只有5～10 nm，遠小于表面粗糙度而一般不會引起磨損，故磁流體潤滑能夠提供平穩(wěn)的低摩擦潤滑，振動??；③磁流體潤滑具有較小的摩擦因數(shù)，因而發(fā)熱少；④能工作于高速高溫情況，且由于磁場的存在，軸承承載能力強于同等軸承；⑤在強磁場、低偏心情況下，甚至能做到零泄漏，減少潤滑液端泄的同時簡化了系統(tǒng)[8-10]。

1.2磁流體軸承的原理

磁流體軸承正常工作所需要的外加磁場一般采用永磁體或直流勵磁來激發(fā)。前者可以產(chǎn)生磁力線形狀規(guī)則的穩(wěn)定磁場，而后者則可以通過改變勵磁電流來改變磁場強度，從而進一步改進磁流體的分布。兩種磁場激發(fā)方式各有優(yōu)劣。本文主要研究直流勵磁磁流體軸承，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　直流勵磁磁流體軸承結(jié)構(gòu)

2　模型處理

本文根據(jù)高速鐵路機車牽引電機的結(jié)構(gòu)，建立了轉(zhuǎn)軸以3000 r/min運行的，考慮偏心的磁流體軸承的三維模型?？紤]到軸承周圍環(huán)境對軸承熱效應(yīng)和熱分布的影響，加入了整段安裝軸的模型。填充軸承間隙的磁流體材料選用納米四氧化三鐵(Fe3O4)。磁流體潤滑膜的厚度為0.05 mm。所建立的三維模型如圖2所示。

圖2　三維模型

在三維建摸的基礎(chǔ)上，完成了對整個模型的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分主要考慮以下兩方面的影響：一方面，要保證網(wǎng)格的密度，特別是關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格，以確保計算的精度；另一方面，對于外部環(huán)境區(qū)域里對關(guān)鍵特性分析影響不大的部分需進行網(wǎng)格數(shù)目的降低，以提高仿真計算的速度。根據(jù)以上兩條原則，對磁流體潤滑膜處的剖分采用等分形式并進行加密。軸套及安裝軸承的該段軸采用漸進網(wǎng)格的形式。其中，對于軸套的剖分，采用沿徑向由外到內(nèi)網(wǎng)格逐漸變細，而對于安裝軸承的該段軸則采用沿徑向由外到內(nèi)網(wǎng)格逐漸變粗。網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖3所示。

圖3　網(wǎng)格剖分結(jié)果

3　邊界條件的施加

3.1熱邊界條件

工程中傳熱現(xiàn)象從物理本質(zhì)上區(qū)分時，通常有三種基本形式，即熱傳導(dǎo)、對流換熱及輻射換熱。熱傳導(dǎo)是指熱量由高溫物體傳向低溫物體或者由同一物體的高溫部分傳向低溫部分的能量交換過程，可以在固體、液體以及氣體中發(fā)生，是固體傳熱最主要的方式；對流換熱是指在用流體的宏觀流動將所含熱能從物體中一處遷移到另一處的過程中，流動的流體與其所經(jīng)固體表面之間所發(fā)生的熱交換過程，一般可分為自然對流和強迫對流兩種方式；輻射換熱則是指高溫物體以電磁波形式傳遞熱量的過程[11]。本文所研究的電機采用強制對流的冷卻方式，輻射換熱可以忽略不計;由于磁流體潤滑屬于流體動壓潤滑狀態(tài)，以對流散熱為主要方式，傳導(dǎo)散熱通?？梢圆挥杩紤]。

在本文計算中，將軸承安裝位置的該段軸設(shè)置為對流換熱邊界條件，由于軸的溫度變化相對并不明顯，故將其他與軸承相距較遠的幾段軸設(shè)置為恒溫邊界條件，將軸的外表面和磁流體潤滑膜的內(nèi)表面，軸套的內(nèi)表面和磁流體潤滑膜的外表面設(shè)置為流固耦合面，并將前者設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速與軸頸轉(zhuǎn)速相同，為3000 r/min，后者設(shè)定為固定壁面邊界條件。

開啟能量方程，由于是黏性流動，故在能量方程中考慮黏性生成熱(viscous heating)。

3.2空化邊界條件

滑動軸承內(nèi)的空穴現(xiàn)象，主要是因為溶解在潤滑液內(nèi)的空氣由于外界壓力變低，其體積膨脹析出而造成[12-13]。當(dāng)考慮潤滑膜的空化效應(yīng)時，壓力達到一定值后潤滑膜中就可能會有氣泡出現(xiàn)，此時軸承間隙處的流動是一種多相流，需要考慮氣相和液相之間的相互耦合作用，因此需要引入多相流模型。本文選用Mixture多相流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型。

4　不考慮空化的潤滑膜壓力和溫升分析

在上述網(wǎng)格劃分以及邊界條件設(shè)置的基礎(chǔ)上，不開啟空化模型，從主軸壁面開始初始化，使用Fluent進行迭代求解直至收斂，可得到磁流體潤滑膜的壓力以及溫度云圖，以偏心率ε=0.5時的工況為例的壓力和溫度云圖如圖4、圖5所示。圖6為軸承內(nèi)理論潤滑膜壓力分布。

圖4　磁流體潤滑膜壓力云圖

圖5　磁流體潤滑膜溫度云圖

圖6　軸承內(nèi)理論潤滑膜壓力分布

由圖4可知，潤滑膜壓力分布有兩個非常明顯的壓力集中區(qū)，一個呈現(xiàn)正壓，一個呈現(xiàn)負壓，在最小潤滑膜厚度區(qū)被明顯地分隔開來。由于軸的偏心和順時針轉(zhuǎn)動，在A區(qū)域產(chǎn)生了收斂楔形，從而產(chǎn)生了磁流體潤滑膜的正壓力。在收斂區(qū)，隨著間隙的減小，壓力逐漸增大達到正壓峰值后減小，通過最小油膜厚度處后進入發(fā)散區(qū)(B區(qū)域)，此時由于潤滑膜速度迅速增大，很快形成了一個真空區(qū)域，達到負壓峰值，之后逐漸恢復(fù)到正壓，趨于平穩(wěn)。這與圖6所示的軸承內(nèi)理論潤滑膜壓力分布規(guī)律一致。磁流體潤滑膜中間位置沿周向壓力分布曲線如圖7所示(此處起點位置與圖6不同，故角度不作對應(yīng))。正壓區(qū)域最大壓力為2 224 565 Pa，負壓區(qū)最大壓力為2 033 140 Pa，在正壓力和負壓力的共同作用下，產(chǎn)生承載力來支撐軸頸，并平衡外載荷。由Fluent計算水膜合力大小為2169.2 N。

圖7　潤滑膜中心面周向壓力分布

圖5所示為轉(zhuǎn)速3000 r/min時的三維溫度場分布云圖。由圖可知，發(fā)散區(qū)(C區(qū)域)的最高溫度為98.3 ℃，離開此區(qū)域，潤滑膜溫度開始逐漸降低?？梢钥吹剑l(fā)散區(qū)的溫度普遍偏高，且同收斂區(qū)的溫差約為20 ℃。潤滑膜溫度沿軸向從中間向兩端逐漸降低，溫度分布在36～80 ℃范圍內(nèi)?？芍帕黧w潤滑膜處的熱量在軸向方向上，沿軸向兩端散熱情況良好。

5　加入空化模型的潤滑膜壓力和溫升分析

由于發(fā)散區(qū)負壓的存在，當(dāng)壓力達到一定值，潤滑膜中就可能會有氣泡出現(xiàn)，引起氣穴現(xiàn)象。這將導(dǎo)致潤滑膜在負壓區(qū)迅速破裂并進一步對壓力分布產(chǎn)生影響。因此在計算時加入空化模型是很有必要的。

本文選用Mixture多相流模型以及Zwart-Gerber-Belamri空化模型進行了仿真計算。初始設(shè)置時將磁流體相體積分數(shù)設(shè)為100%，空氣相體積分數(shù)設(shè)為0，最終通過仿真得到最后的空氣體積分數(shù)。圖8～圖12為不同偏心率ε下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖。

圖8　ε=0.1下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖

圖9　ε=0.3下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖

圖10　ε=0.5下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖

圖11　ε=0.7下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖

圖12　ε=0.9下的磁流體潤滑膜壓力分布云圖

對比圖4與圖8c可以看出，沒有采用空化模型時，潤滑膜在發(fā)散階段的最小壓力達-2.03 MPa，這與實際情況完全不符，而采用空化模型的計算結(jié)果更符合實際。

在仿真實驗中得知，加入空化模型后，在收斂區(qū)內(nèi)，隨著間隙的減小，壓力升高，在最小間隙前某一角度，壓力達到最大值，之后壓力有所下降。當(dāng)經(jīng)過最小間隙進入發(fā)散區(qū)后，隨著間隙變大，由于油膜破裂，沒有產(chǎn)生負壓，而只有很小的正壓，并且壓力基本保持不變，其值為7550 Pa。隨著偏心率的增大，正壓區(qū)域內(nèi)的壓力峰值隨之增大，高壓區(qū)范圍越來越小。這是由于潤滑膜產(chǎn)生楔形的直接原因是軸頸的偏心，偏心距的增大會使得磁流體潤滑膜的楔形效應(yīng)增強，從而提高了磁流體潤滑膜的承載力。潤滑膜最大壓力與偏心率之間的規(guī)律曲線如圖13所示。

圖13　磁流體潤滑膜最大壓力與偏心率的關(guān)系

從偏心率0.5工況下的磁流體潤滑膜氣相體積分布的仿真可知，在收斂區(qū)內(nèi)，幾乎全部潤滑面上都有完整的磁流體膜。當(dāng)經(jīng)過最小間隙進入到發(fā)散區(qū)后，隨著間隙的變大，在某一角度油膜開始破裂。并且油膜氣化比例隨著間隙的變大而增大。磁流體潤滑膜氣相體積分數(shù)如圖14所示。

圖14　磁流體潤滑膜氣相體積分數(shù)(ε=0.5)

圖15為加入空化模型后，偏心率0.5工況下的磁流體潤滑膜溫度分布云圖。與圖5對比可知，考慮空化后，潤滑膜的最高溫度由98.3 ℃下降到了76.6 ℃，高溫區(qū)仍然出現(xiàn)在發(fā)散區(qū)范圍內(nèi)，但所占面積有所減小。整體來看，散熱情況較圖5更為良好。

圖15　考慮空穴效應(yīng)的溫度分布云圖(ε=0.5)

6　結(jié)論

(1)對比了磁流體軸承相對于其他軸承的應(yīng)用優(yōu)勢，分析了其用作高速鐵路機車牽引電機軸承的理論可行性。

(2)提出了一種磁流體軸承結(jié)構(gòu)，建立了其三維模型并進行了網(wǎng)格剖分，應(yīng)用CFD方法對模型進行了仿真分析，得到了軸承潤滑膜溫度和壓力的分布規(guī)律，驗證了模型的合理性。

(3)考慮了滑動軸承內(nèi)的空穴效應(yīng)，為了找到磁流體潤滑膜承載性能和軸頸偏心之間的關(guān)系，建立了不同偏心率的潤滑膜模型，通過仿真，分析了不同偏心率下磁流體潤滑膜作用力的變化規(guī)律。

[1]何強, 李安玲, 張繼祝,等. 高速列車軸承的發(fā)展趨勢[J]. 徐州工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012, 27(1):58-64.

He Qiang, Li Anling, Zhang Jizhu, et al. The Development Trend of High-speed Railway Bearing[J]. Journal of Xuzhou Institute of Technology(Natural Sciences Edition), 2012, 27(1):58-64.

[2]顧紅, 王先逵, 祝琳華,等. 磁流體技術(shù)及發(fā)展方向綜述[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(理工版), 2002, 27(1):55-57.

Gu Hong, Wang Xiankui, Zhu Linhua, et al.The Review of Magnetic Ferrofluid Technology Development and Its Application[J]. Journal of Kunming University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2002, 27(1):55-57.

[3]Tarapov I E. Movement of a Magnetizable Fluid in the Lubricating Layer of a Cylindrical Bearing[J]. Magnetohydrodynamics, 1972(8):444-448.

[4]Tipei N. Theory of lubrication with Ferrofluids: Application to Short Bearings[J]. ASME, 1982,104:510-515.

[5]Das N C．A Study of Optimum Load-bearing Capacity for Slider Bearings Lubricated with Couple Stress Fluids in Magnetic Field[J]. Tribology International, 1998,31(8)：393-400.

[6]Ochonski W.Sliding Bearings Lubricated with Magnetic Fluids[J].Industrial Lubrication and Tribology,2007,59(6):252-265.

[7]施洪生, 張奕黃,高培慶. 高速牽引電機軸承關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 機車電傳動, 2007(2): 1-5.

Shi Hongsheng, Zhang Yihuang, Gao Peiqing. Development Trend of Critical Technologies for Bearing of High-speed Traction Motor[J]. Electric Drive for Locomotive, 2007(2):1-5.

[8]王建梅, 孫建召, 薛濤,等. 磁流體潤滑技術(shù)的發(fā)展[J]. 機床與液壓, 2011, 39(6):109-112.

Wang Jianmei, Sun Jianzhao, Xue Tao, et al. The Development of Magnetic Fluid Lubricating Technology[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2011, 39(6):109-112.

[9]王瑞金, 王常斌. 磁流體技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用[J]. 力學(xué)與實踐, 2004, 26(6):8-13.

Wang Ruijin, Wang Changbin.The Industrial Apllications of the Magnetic Fluid Technique[J]. Mechanics and Engineering, 2004, 26(6):8-13.

[10]何世權(quán),楊逢瑜,楊瑞. 滑動軸承磁流體薄膜和潤滑特性的研究[J]. 潤滑與密封, 2007,32(1):126-128.

He Shiquan,Yang Fengyu,Yang Rui. Research on Lubricating Characteristic of Thin Film and Glide Bearings Affected by Magnetic Fluid[J]. Lubrication Engineering, 2007,32(1):126-128.

[11]魏永田, 孟大偉, 溫嘉斌. 電機內(nèi)熱交換[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1998.

[12]Guo Zenglin, Hirano T, Kiyk R G. Application of CFD Analysis for Rotating Machinery—Part I: Hydrodynamic, Hydrostatic Bearings and Squeeze Film Damper[J]. J. of Engineering for Gas Turbines and Power APRIL, 2005,127:445-451.

[13]張楚, 楊建剛, 郭瑞,等. 基于兩相流理論的滑動軸承流場計算分析[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(29):80-84.

Zhang Chu, Yang Jiangang, Guo Rui, et al. Simulation of Journal Bearing Flow Field Using Computational Fluid Dynamics Two Phase Flow Theory[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(29):80-84.

(編輯郭偉)

Lubrication Characteristics Analyses of Ferrofluid Bearing Based on CFD Simulation

Li TingMa JienZhang YuFang Youtong

Zhejiang University,Hangzhou,310027

Ferrofluid bearing had a series of advantages, like high speed, good sealing, strong bearing capacity, etc.,which complied the needs of high-speed railway. A three-dimensional model of ferrofluid bearing was built and the simulation about the bearing and thermodynamic characteristics were carried out based on CFD. And then, further analyses of the influences of eccentricity were made, which laid the foundation for subsequent design of ferrofluid bearing.

ferrofluid bearing; computational fluid dynamics(CFD); cavitation model; lubrication performance

2015-03-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51105331, 51177144)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2011AA11A101)

TH133.3;TH117.2DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.07.015

李婷，女，1990年生。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為磁流體軸承。馬吉恩，女，1979年生。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院助理研究員。章禹，男，1993年生。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本科生。方攸同，男，1962年生。浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院教授。