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1、不同因素对动压油膜轴承空化效应影响探讨摘要：以高偏心率动压油膜轴承为研究对象，基于质量守恒边界条件与EIrod算法建立了关于完整油膜和空化区域的统一润滑方程。通过研究ZWarbGerber-BHamri(ZGB)空化模型、SChnerYauer(SS)空化模型和无空化模型对仿真结果的影响，明确了在流体仿真中考虑空化模型的必要性，并在ZGB空化模型下探究了不同因素对油膜轴承空化效应及压力峰值的影响，结果表明：空化面积随转速增大而增大，随供油压力增大而减小，随油液黏度增大而增大；正压力峰值随转速增大而增大，随供油压力增大而增大，随油液黏度增大而增大，负压力的峰值波动较小；此外，表面织构可以有效减小
2、空化面积，增强正压力峰值，但对负压力峰值的影响相对较小。关键词：滑动轴承；油膜轴承；润滑；空化；压力峰值；表面织构；偏心率滑动油膜轴承凭借其低摩擦、高负载等特点，应用越来越广泛1。滑动轴承的油膜可分为收敛区和发散区，前者形成正压力区域，后者形成负压力区域。油膜的破裂标志着其承载能力的极限，破裂通常发生在油膜最大正压力位置和最小负压力位置2。空化效应是指油膜受到负压而破裂的现象，也称为气穴现象。空化效应会降低油膜轴承的承载能力。气泡的存在会影响油膜的质量和稳定性，气泡破裂时将产生局部高温和高压，破坏油膜，导致轴承的摩擦损失增大，从而降低轴承的承载能力。轴承承载能力下降后，会出现局部挤压和金属间接
3、触，这将进一步加速轴承的磨损和失效。研究者们对如何减少油膜轴承中的空化效应开展了广泛的研究。文献研究了空穴对端泄量、油膜力矩和油膜承载力的影响。文献通过CFD技术对滑动轴承进行三维热力学分析，并引入三维空化模型分析空化效应，成功预测了空化区的温度；低速重载工况下，油膜厚度通常只有十几微米甚至几微米，却要承受几千万牛顿的载荷5。文献提出了一种基于薄膜传感器技术的测量方法，可测量滑动轴承的压力分布和油膜力。文献分析了不同负载条件下油膜压力产生空化效应的原因。文献通过Fluent对动静压轴承油膜压力进行研究，分析了不同转速和偏心率下轴承油膜的三维压力和静压力特性，发现相同转速下偏心率的增大会导致油膜
4、压力峰值增大。文献研究了动静压差速转台的油膜负压，通过在静压腔封油边建立流量补偿孔或在动压进油槽加进油孔的措施增加供油，减小负压。文献10基于FlUent进行了多油腔静压轴承的压力仿真研究，得出了供油压力、转速和进油口直径这3个油膜压力的影响因素，并对负压现象进行了分析。文献11发现不同工况下空化压力的值存在差异，从而提出了一种空化机制。文献12对油膜破裂边界进行研究，提出了一种替代其他空化模型的方法。文献13考虑了空化效应对CFD流固耦合轴承的影响，研究转速、偏心率等因素对空化效应的影响，以及空化对油膜压力的影响；油膜轴承运转过程中形成的极薄油膜能够承受并动态调节轧辑上的轧制载荷14。文献1
5、5研究了不同负载和恒速条件下的油膜压力等参数，得到了油膜在周向的压力分布。文献16基于流固耦合法对具有表面织构的滑动轴承进行了瞬态研究，分析了表面织构位置对滑动轴承性能的影响。上述文献主要针对低偏心率下的油膜轴承，而且未对空化效应的产生进行更细致的分析。在此基础上,本文对高偏心率动压油膜轴承展开研究,通过设定合理的空化压力起始值和润滑油饱和气压值，探究不同因素(转速、供油压力、油液黏度、表面织构)对空化效应位置以及压力峰值的影响。1物理模型与空化方程1.1 油膜轴承模型建立偏心率为0.9的油膜轴承模型进行仿真研究，如图1所示：采用上方进油的单进油口动压油膜轴承,进油口的孔直径d=7mm,轴颈直
6、径D=219.6mm,衬套内径Dl=220.2mm,轴颈宽度B=160mm;O为衬套的轴心线，。1为轴颈轴心线，e为衬套与轴颈的轴心偏心距。图1动压油膜轴承模型Fig.IModelofhydrodynamicoiIfiImbeanng1.2 不可压缩空化方程Elrod算法17将油液看作可压缩液体，但油液在一定压力下是不可压缩的，故提出不可压缩空化方程。油膜压力在完整油膜区域内不断变化，但油液密度为定值。假定油膜为不可压缩、层流、等温、无重力且具有恒定黏度的牛顿流体，完整润滑油膜的雷诺18方程为-M-).4止却生I生1.生.式中：h为油膜厚度；P为油膜压力；为润滑油动力黏度；V为轴承运动的线速度
7、；X为周向坐标；t为油膜厚度变化的时间；Z为轴向坐标。根据质点运动方程、连续方程、牛顿黏性定律和N-S方程，并假设空化区的压力为常数，推导出空化区的雷诺15方程为为方便计算，引入变量A和开关变量g,将油膜区域分为完整油膜区与空化区，即，=，-八0，wII;4O式中：P为润滑油密度；Pe为润滑油空化区的当量密度；变量A在完整油膜区为量纲一化的压力p一,在空化区为Pe与P之比减1。结合以上方程得到考虑空化区域的统一润滑方程，即船警即警卜6：同(,)疝同”)砚()式中：1.为轴承长度；C为半径间隙；R为轴承半径；3为轴颈角速度。2有限元模型建立与仿真条件设置2.1 网格划分将油膜轴承模型导入Work
8、benCh中，采用ICEM模块进行网格划分。高偏心率导致整个油膜不同位置的尺寸相差很大，最薄处小于0lmm,网格划分较为困难。故先将整个模型分为进油口区和油膜主体区分别进行网格划分，再按油膜薄厚程度对油膜主体区切分后进行网格划分19,以得到精度更高的仿真结果。通过此划分方法导入符合FIUent条件的网格，油膜网格如图2所示：正交质量在0.7以上，数值0.7的网格占总网格的0.07%,数值1的网格占总网格的92%；单元质量0.71以上，数值0.71的网格占总网格的0.008%,数值1的网格占总网格的63%；纵横比为1：1.67,数值1的网格占总网格的67%,数值167的网格占总网格的2%；平均扭
9、曲度均为05；网格数量约170000；节点数量约230000。O图2油膜网格Fig1ZGridofoiIfiIm2.2 仿真条件设置对油膜进行仿真求解前，引入Mixture模型中不同的空化模型对油液和空气两相进行研究，饱和气压设为30kPall.在进油口与出油口设置压力条件，其他均设为壁面，如图3所示。油膜内表面转速为100lymirb壁面固定，进油口的压力为0.1MPa,两侧出油口的压力均0,油液密度为833kgm3,黏度为383.18g(ms),求解器为SMP1.EC,空间离散动液采用thirdordermusde,油液流动设为层流(油液在内部流动时，雷诺数Re2300),重力在y的负半轴
10、设置为9.8ms2,迭代次数1000,残差为0.0001,空化压力起始值为72kPa150将三维油膜沿X负方向展开为二维平面云图。图3边界条件与油膜压力云图Fig-SBoundaryconditionsandpressurenephogramofoiIfiIm3不同因素对油膜的影响流体仿真采用Fluent中的Schnerr-Sauer(SS)Zwart-Gerber-BeIamri(ZGB)Ii2种空化模型并与不考虑空化的模型进行对比。在进口压力0.1MPa,偏心率0.9,转速100rmin的工况下进行仿真分析。不同模型的油膜压力云图如图4所示：SS与ZGB空化模型的空化效应形状相似，无空化模
11、型的空化效应形状与空化模型相比存在显著差异。图4空化模型与无空化模型油膜的压力云图Fig-Apressurenephogramofoilfilmofcavitationmodelsandno-Cavitationmodel不同模型的空化面积与压力峰值如图5所示:25020OI50WIO(XX)5(XX)O空化类型空化而积空化类型(b)压力峰值图5不同模型的空化面积与压力峰值Fig-Scavitationareaandpressurepeakofdifferentmodels1)2种空化模型在该工况下的空化面积近似相同，说明流体仿真中空化模型对空化效应的影响不大；无空化模型的空化面积更大，约为空
12、化模型的2倍。2)2种空化模型的油膜压力峰值相近；无空化模型的最大正压力值较小，与最小负压力值的绝对值相近，然而，油膜在数兆帕负压的情况下早已破裂，仿真结果不符合实际工况。综上分析可知，在流体仿真中应考虑空化模型，由于2种空化模型的仿真结果相似，故本文采用ZGB空化模型进行研究。3.1 转速在偏心率0.9,无表面织构，进油压力0.2MPa,油液黏度383.18g(ms)的工况下进行仿真分析。油膜在不同转速下的压力云图如图6所示：不同转速对应空化效应的形状差异较大，随转速的增大，空化面积的弥散性增大。图6不同转速下油膜的压力云图Fig.6Pressurenephogramofoilfilmofu
13、nderdifferentrotationalspeeds转速对空化效应的位置(位置0为空化区域起始位置，位置1为空化区域终止位置)及压力峰值的影响如图7所示：图7转速对空化效应位置及压力峰值的影响Fig-TEffectofrotationalspeedonlocationofcavitationeffectandpressurepeak1）空化区域的起始坐标随转速的增大而提前，终止坐标变化较小，故空化面积随转速的增大而增大。2）随着转速的增大，油膜最大正压力不断增大，但最小负压力未随着转速的增大而发生较大变化，这是由于离心力的增加使油膜厚度减小，因此油膜的正压力峰值增大。此外，高速运动的轴承
14、表面会产生更多的热量，这会使油膜的黏度降低，也会导致油膜压力的下降。故轴承合理的转速可以有效保证油膜的使用性能与寿命。3.2 供油压力在偏心率0.9,无表面织构，转速100rmin,油液黏度383.18g（ms）的工况下进行仿真分析。油膜在不同供油压力下的压力云图如图8所示：随着供油压力的增大，空化效应的形状相似，变化较小。图8不同供油压力下油膜的压力云图Fig-Spressurenephogramofoilfilmofunderdifferentoilsupplypressures供油压力对空化效应位置及压力峰值的影响如图9所示：图9供油压力对空化效应位置及压力峰值的影响Fig-SEffec
15、tofoilsupplypressureonlocationofcavitationeffectandpressurepeak1）不同供油压力的空化区域起始位置与终止位置差别不大，故空化面积受供油压力影响较小。2)随供油压力的增大，油膜最大正压力逐渐增大，由于楔形效应和较大的进油压力形成了2个最大正压力区域，但最小负压力变化较小。供油压力的增大导致润滑油流量增大，从而增大油膜厚度并提高油膜压力。故较高的供油压力可保持油膜较好的稳定性，防止轴承过早失效。3.3 油液黏度在偏心率0.9,无表面织构，供油压力0.1MPa,转速100rmin的工况下进行仿真分析。油膜在不同油液黏度下的压力云图如图10所示，不同黏度油液的空化效应形状相似，变化较小。图10不同油液黏度下油膜的压力云图Fig-Iopressurenephogramofoilfilmwithdifferentoilviscosities油液黏度对空化效应位置及压力峰值的影响如图11所示：（八）空化效应位置(b)压力峰值220g(ms),460g,(ms)320g(ms)-680(ms)图11油液黏度对空化效应位置及压力峰值的影响FigellEffectofoilvisco
