大型贯流泵水润滑导轴承数值模拟

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Three-dimensional CFD Simulation for Water-lubricated Guide& of Large TubularCA0 Chun-jian ，XIN Hua.rongz，ZHANG De-hu ，WU Zhong2(1.Colege of Energy and Electric Engineering，Hohai University，Nanjing 21 1 100，China；2.Jiangsu Zoumatang Zhangjiagang Project Construction Ofice，Zhangjiagang 215600，China)Abstract：A numerical simulation for flow field in water-lubricated guide bearing of large tubular pump is conducted by software Flu·ent，which shows the pressure distribution of water film with diferent rotating speeds and the rule of the influence of relevant parame-ters on the amount of lubricating water，dynamic and static characteristics of guide bearing.The result shows that the pressure distri·butions of water film at low and high speeds are very diferent，and with the obvious dynamic pressure efect，the bearing inner carlbe in a state of reflux and the water-lubricated amount and clearance are reduced.The load capac and stness of guide bearingare increased along with the speed and water pressure increase meanwhile the amount of water is increased along with the speedlowering and the water pressure and clearance increase。

Key words：water-lubrication；guide bearing；pressure field；CFD-computation fluid dynamics导轴承是保证水泵稳定运行的重要部件，起着承受水泵径向力、控制主轴摆度的作用。和油润滑导轴承相比，水润滑导轴承因密封简单、安全节能等优点，逐渐应用于在大型卧式贯流泵中 。由于贯流泵转速低、载荷高，轴承润滑水膜不易形成，使得轴承承载区磨损严重，直接影响到水泵运行的可靠性。为解决上述问题，除了选择适合的轴承材料外，对轴承参数合理的选择也至关重要。目前国内外学者对滑动轴承的研究大多采用有限差分法、有限元法等数值方法对简化的雷诺方程进行求解 。这些方法忽略了惯性项、径向流场变化等因素的影响，当轴承形状较为复杂时，其应用范围受到了限制。随着计算流体力学(cFD)的发展，基于有限体积法的三维CFD技术以其简便、精确的优点正逐渐应用于滑动轴承参数优化中 。本文针对江苏省某大型贯流泵水润滑导轴承，利用 Fluent软件对不同转速下轴承压力场进行仿真分析，并得出相关参数对轴承润滑水量及其静态性能的影响规律，为水泵导轴承的参数优化提供-种新的方法和更全面的参考。

导轴承模型的建立1.1 导轴承三维模型及网格划分水润滑导轴承的结构如图 1所示。轴承主要由外部轴承体和树脂苯酚导轴瓦组成，导轴瓦为径 向整体式结构。供水系统采用恒压式，清水通过金属软管压入轴承供水端，然后从另-端泄漏，其结构参数如表 1所示。

图 1 水润滑导轴承结构示意图表1 导轴承设计参数作者简介：曹春建(1988-)，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为流体机械优化与仿真。

Machine Building留 Automation， 2013，41(J)：1O1-104，111 ·101·· 信息技术 · 曹春建，等 ·大型贯流泵水润滑导轴承数值模拟(C)n249.8 r/min图3 不同转速下水膜压力场分布水端和泄水端向另-端逐渐延伸。这是由于轴颈偏心使轴承和轴颈之间形成楔形间隙，当轴颈围绕轴心以较高速度运转时，水膜会在楔形收敛区受到轴颈挤压作用而形成高压区，在楔形发散区则因水膜速度迅速增大而形成低压区，从而形成水膜动压效应∩以看出，额定转速下轴承高压区的水膜只覆盖了承载区的-半，使得主轴和轴承会有部分直接接触，从而加剧轴承承载区的磨损，可见额定工况下轴承润滑性能并不理想。当水泵处于飞逸转速时，轴承承载区的高压水膜较为完整，从而使得主轴和轴承能完全隔开，此时轴承润滑性能较好。综上可知，提高水泵额定转速有助于增强轴承润滑性能。

不同转速下轴承中心截面(Z180 ram)及截面角为 4O。的压力分布曲线如图4所示。

(a)z180 mm截面轴向 Z/mm(b)040∝面图4 水膜压力分布曲线图从图4(a)可知，随着转速升高，以 0 mm为界，水Machine Building 8 Automation，J.n 2013，41(J)：101～104，111膜高压区的周向压力逐渐增大而低压区则逐渐降低，压力随转速升高变化很明显；从图4(b)可知，低转速、额定转速下轴承轴向压力呈线性变化，此时水在轴承中的流动以供水端到泄水端的轴向流动为主，满足设计要求。然而飞逸转速下，轴承轴向压力呈抛物线变化，z1 000处的压力达到0.82 MPa，远高于供水压力0.5 MPa，这种情况会使润滑水从压力峰值的位置向供水端倒流，从而降低轴承润滑水量。实际上在轴承低压集中区，水膜因不能承受低压而发生破裂，以致形成空穴，此时水量降低则很有可能让水不能及时充满空穴而生成大量气泡，气泡破裂会产生巨大破坏力而损伤轴承和轴颈表面。由此可见，额定转速下轴承采用-端供水另-端泄水的方式是合适的，而当轴承动压效应显著时，建议采用中间供水两端泄水的方式，从而降低空化形成的概率。

2.2 相关参数对轴承静态性能的影响轴承的刚度及承载力在工程应用中是很重要的两个参数 2 ，其反映的是轴承静态性能。图5和图6反映的藿暴瞄转速 n/(r/min)(a)转速影响供水压力 /MPa(b)供水压力影响半径间隙C/ram(c)半径间隙影响图5 相关参数与承载力的关系· 103·胛露· 信息技术 · 曹春建，等 ·大型贯流泵水润滑导轴承数值模拟是其他参数不变情况下，偏心率为 0.6、0.7、0.8、0.9时，承载力、刚度与转速、供水压力及半径间隙之间的关系曲线。如图所示，同-偏心率下，轴承承载力及刚度随转速、供水压力增大呈非线性增长，随半径间隙增大呈非线性减小；其他参数不变时，轴承承载力随偏心率的增大而增大；当转速低于额定转速 ，半径间隙大于 0.3 mil时，轴承刚度则与偏心率无关。

转速 n/(r/min1(a)转速影响重藿0.1 O.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0供水压力 P/MPa(b)供水压力影响半径间隙C/ram(c)半径间隙影响图6 相关参数与刚度的关系心率小于等于0.7时，润滑水量与转速无关，当偏心率大于0.7时，润滑水量随转速升高而呈非线性降低；同-转速下，润滑水量随着偏心率的增大而增大。由图7(b)和(c)可知，同-偏心率下，润滑水量随供水压力、半径间隙的增大而呈非线性增长，可以看 出，当半径间隙低于 0.2mm时，润滑水量与偏心率无关。

延霎转速n/(r/min)(a)转速影响供水压力P/MPa(b)供水压力影响半径间隙 C/ram(c)半径间隙影响图7 相关参数与润滑水量的关系2·3 相关参数对轴承润滑水量的影响 3 结论润滑水量是否充足是保证滑动轴承稳定运行、避免轴承温度过高的重要前提条件。图7反映的是其他参数不变情况下，偏心率为0.6、0.7、0.8.0.9时，润滑水量与转速、供水压力及半径间隙之间的关系。由图7(a)可知，偏· 104 ·1)通过CFD数值模拟发现不同转速下轴承水膜压力分布有较大差异，即随着转速的升高，高低压区的水膜(下转第 111页)htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.cn《机械制造与自动化》· 信息技术 · 钟晓谷，等 ·基于EON的轮式推土机保障虚拟训练系统设计3 系统的集成系统数据库维护拈采用 Delphi软件设计开发。

Delphi是著名的 Bodand公司开发的可视化软件开发工具，被称为第四代编程语言，它具有简单、高效、功能强大和简单易学的特点。其主界面如图10。

图1O 训练系统主界面通过Delphi调用EONX控件的接口函数实现二者之间的数据传递 J。使系统的仿真程序能够嵌入到Delphi开发的应用程序中，EONX作为-种在其他软件或程序中展示和控制 EON虚拟程序的 ActiveX控件，通过它可以对EON开发出来的模拟嘲进行控制，在EON的事件驱动模型中，节点和节点之间相连接的属性域(Eventln/Even。

tOut)类型必须-致或相互兼容，其数据传递过程如下 ：Stepl：在逻辑关系设定视窗中创建 Scrpit节点与其他相关节点的 EventIn节点和 EventOut节点的连接，并对EventIn节点收到的数据处理后由 EventOut节点输出；Step2：在 Delphi中创建 OnEvent消息响应函数 On-EventEonx对Eventout事件进行响应，同时利用SendEvent函数将Delphi处理后的数据输出到InEvent节点。

4 结论本文结合EON Studio虚拟交互平台，研究解决了某型轮式推土机虚拟训练系统设计中的部分关键性技术问题，所开发的系统可以使受训人员充分掌握轮式推土机保障训练的过程、特点、手段和方法。具有较高的应用价值。