高速角接觸軸承油氣潤滑兩相流動特性數(shù)值研究

翟強,朱永生,閆柯,王寧,劉成,王東峰

(1.西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研究所,710049,西安; 2.洛陽軸研科技股份有限公司,002046,河南洛陽)

高速角接觸軸承油氣潤滑兩相流動特性數(shù)值研究

翟強1,朱永生1,閆柯1,王寧1,劉成1,王東峰2

(1.西安交通大學(xué)潤滑理論及軸承研究所,710049,西安; 2.洛陽軸研科技股份有限公司,002046,河南洛陽)

針對油氣潤滑高速角接觸球軸承腔內(nèi)潤滑冷卻問題,提出了角接觸球軸承油氣兩相潤滑高精度數(shù)值計算模型。采用兩相流模型和多重坐標(biāo)系方法模擬軸承腔內(nèi)兩相流動特性;研究軸承運行工況及保持架幾何參數(shù)對軸承腔內(nèi)流場分布與換熱效率的影響。結(jié)果表明:球形兜孔保持架軸承腔內(nèi)的平均溫度低于柱形兜孔保持架軸承,與實驗結(jié)果相符。同時,過大或過小的兜孔間隙均會造成軸承腔內(nèi)平均溫度升高,因此合適的保持架兜孔結(jié)構(gòu)與幾何參數(shù)對于提高滾動軸承潤滑性能至關(guān)重要。單個油氣入口時,軸承腔內(nèi)的潤滑油分布并不均勻,在油氣入口附近油相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值;隨著與入口位置距離的增加,油相體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

高速角接觸球軸承;油氣潤滑;保持架結(jié)構(gòu);兩相流

角接觸球軸承作為高速電主軸的主要支撐元件,其服役狀態(tài)對于系統(tǒng)運行性能有重要的影響。油氣潤滑技術(shù)因其良好的潤滑冷卻性能被廣泛應(yīng)用于高速角接觸球軸承,其腔內(nèi)油氣兩相分布對軸承壽命、熱特性有重要的影響[1]。

多位學(xué)者對滾動軸承油氣潤滑性能展開研究。在實驗研究方面,蔣書運等以供油量、潤滑油黏度、油氣壓力和轉(zhuǎn)速等為變量,研究其對滾動軸承溫升的影響,結(jié)果用于確定合理的油氣潤滑參數(shù)[2-3]。Wu等研究了不同潤滑參數(shù)及預(yù)緊狀態(tài)下的主軸溫升[4]。在數(shù)值計算方面,胡志宏等采用多重網(wǎng)格法分析了油氣潤滑超高速軸承在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件下的接觸區(qū)潤滑狀態(tài)[5]。Oh等對軸承腔內(nèi)氣流流型作了分析[6]。苑士華等對油氣噴射潤滑的滾動軸承內(nèi)部兩相流動進行了數(shù)值仿真,結(jié)果對優(yōu)化油氣噴射潤滑性能、減小阻力損失、加強冷卻效果提供了依據(jù)[1,7]。目前的研究多集中于最佳潤滑參數(shù)確定,所建立的數(shù)值模型忽略了軸承內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)或運動邊界條件,并且未涉及軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對潤滑性能的影響。對于油氣潤滑滾動軸承內(nèi)部流動,尚缺乏接近實際工況的計算模型。

本文以7008角接觸球軸承為研究對象,通過建立高精度油氣潤滑角接觸球軸承模型,使用VOF(Volume of Fluid)模擬軸承腔內(nèi)兩相流動,采用MRF多重坐標(biāo)系描述軸承各部件運動,分析滾動軸承在不同轉(zhuǎn)速與保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)下的內(nèi)部兩相流動,為優(yōu)化保持架結(jié)構(gòu),提升軸承內(nèi)部潤滑冷卻性能提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值計算模型

1.1 MRF方法

角接觸球軸承的運動形式復(fù)雜,內(nèi)圈、保持架和滾動體以各自的速度公轉(zhuǎn),滾珠除公轉(zhuǎn)外還有自旋運動,油氣管道相對靜止。為準(zhǔn)確模擬其運動形式,將進油管路與軸承腔體分為兩個流域,使用兩套坐標(biāo)系進行運動描述,即多重坐標(biāo)系(MRF)方法[8]。

進油管路靜止不動,使用慣性坐標(biāo)系;軸承腔體高速旋轉(zhuǎn),使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系以ω的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動,其內(nèi)部一點的運動狀態(tài)為

(1)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)流體的質(zhì)量、動量及能量守恒方程分別修正為[9]

(2)

-p+

(3)

·(k

(4)

式中:H是總焓;Sh是熱源;F是外力。

1.2 幾何模型

該模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括油氣管路流域與軸承腔體流域兩部分,其內(nèi)部具有保持架、滾珠等。油氣管路外側(cè)入口區(qū)域進油,內(nèi)側(cè)入口區(qū)域進氣。油氣進入軸承的端面設(shè)有交互面,以保證兩不同坐標(biāo)系下流域間的連通。保持架結(jié)構(gòu)有兩種,第一種兜孔為圓柱面,第二種兜孔為球面,如圖2所示。

圖1 幾何模型

(a)柱形兜孔保持架 (b)球形兜孔保持架

1.3 邊界條件

油路相對于軸承保持靜止,使用慣性坐標(biāo)系,油氣入口為質(zhì)量入口,管壁為靜止無滑移壁面。軸承流域使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,分別對保持架、內(nèi)圈、滾珠施加相應(yīng)的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)運動邊界[10]。同時,對各壁面及入口油氣設(shè)置恒定溫度,用于觀測不同幾何參數(shù)及運行工況下油氣冷卻傳熱性能,計算參數(shù)見表1,其中主相為空氣,次相為68cSt汽輪機油。

表1 計算參數(shù)

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承腔內(nèi)流場分布

分別對兩種保持架模型在不同運行轉(zhuǎn)速下進行了計算。以柱形兜孔保持架軸承潤滑模型(轉(zhuǎn)速為3×104r/min)為例,潤滑油與空氣從管道入口進入后,潤滑油速度遠(yuǎn)低于空氣流速,潤滑油粘附在管道壁面緩慢向前移動,在空氣的加速推動作用下,粘附的潤滑油逐漸被吹散成油滴,最終形成連續(xù)的油膜進入軸承腔內(nèi)。在0.002 s時,潤滑油先到達(dá)第一個滾珠與保持架表面,在0.004 2 s時,潤滑油已到達(dá)軸承一半的腔體,并開始從出口流出,在0.006 5 s潤滑油已分布于整個流腔區(qū)域。

在軸承腔內(nèi),潤滑油受到離心力的作用徑向運動,同時受保持架及內(nèi)圈的影響而周向運動,滾珠的高速自旋使?jié)櫥头植荚跐L珠附近的接觸區(qū)域。潤滑油在圓周方向分布并不均勻,隨方位角的變化含量不一;同時其徑向分布因離心力作用也不均勻,多集中在保持架、滾珠、內(nèi)外圈接觸區(qū)域。圖3為球形兜孔保持架模型在1.5×104r/min時軸承腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)與平均溫度隨方位角的變化(0°為油氣入口方位角),由圖可見,在油相體積分?jǐn)?shù)較高處平均溫度較低,反之亦然。

圖3 轉(zhuǎn)速為15×103 r/min時軸承腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)與溫度隨方位角的變化關(guān)系

2.2 保持架兜孔結(jié)構(gòu)對潤滑性能影響

圖4為不同保持架結(jié)構(gòu)軸承流腔軸向截面的油相體積分?jǐn)?shù)云圖,相同轉(zhuǎn)速下球形兜孔保持架的模型在滾珠、內(nèi)外圈與保持架附近的潤滑油含量高于柱形兜孔保持架軸承模型。

圖4 不同結(jié)構(gòu)保持架軸承腔內(nèi)潤滑油分布云圖

圖5對比了油相體積分?jǐn)?shù)隨方位角的變化情況(0°為油氣入口方位角),可以看出,球形兜孔保持架軸承腔內(nèi)多數(shù)區(qū)域具有較高的油相體積分?jǐn)?shù)。圖6為不同保持架軸承腔內(nèi)溫度隨方位角的分布,球形兜孔保持架軸承的腔內(nèi)溫度在各個方位角基本都低于柱形兜孔保持架軸承。柱形兜孔保持架軸承流腔內(nèi)的油相體積分?jǐn)?shù)平均值為0.018,平均溫度為328.35 K;球形兜孔保持架軸承流腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)平均值為0.034,平均溫度為326.07K。

圖5 不同結(jié)構(gòu)保持架軸承腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)隨方位角的變化

圖6 不同結(jié)構(gòu)保持架軸承腔內(nèi)溫度隨方位角的變化

該計算結(jié)果與不同保持架結(jié)構(gòu)軸承油氣潤滑性能實驗結(jié)果吻合較好,從而間接地驗證了模型與計算結(jié)果的正確性。球形兜孔保持架軸承平均溫升低于柱形兜孔保持架軸承,歸因于球形兜孔保持架的球形面兜孔,相對于柱形面,可以吸附與牽引更多的潤滑油,從而維持了高速角接觸球軸承內(nèi)部良好的潤滑狀態(tài),抑制了軸承溫升,保證其可靠運行。

2.3 保持架兜孔間隙對潤滑性能的影響

具有不同兜孔間隙的保持架軸向截面如圖7所示,其中最大兜孔間隙為0.265 mm,最小間隙為0.165 mm,普通保持架的間隙為0.215 mm。

圖7 不同間隙的保持架結(jié)構(gòu)軸向截面

保持架兜孔間隙對軸承腔內(nèi)平均油相體積分?jǐn)?shù)和平均溫度的影響如圖8所示,隨著間隙的增大,平均油相體積分?jǐn)?shù)減小;平均溫度在普通間隙時最低,過大或過小的間隙會造成平均溫度升高。

圖8 平均油相體積分?jǐn)?shù)與平均溫度隨保持架兜孔間隙的變化

隨著保持架兜孔間隙的增大,潤滑油受滾珠自旋攪動作用而粘附在兜孔內(nèi)壁的概率大大減小,因而潤滑油的平均含量降低。油相體積分?jǐn)?shù)過大時,高速氣流與接觸區(qū)對流換熱減弱,導(dǎo)致軸承溫度升高;當(dāng)油相體積分?jǐn)?shù)過小后,不足以保證良好的潤滑狀態(tài),腔內(nèi)的平均溫度升高?？梢?合理的保持架兜孔間隙對于保持良好潤滑狀態(tài)與提高軸承腔內(nèi)換熱效率有重要作用。

2.4 軸承轉(zhuǎn)速對潤滑性能的影響

為了研究軸承轉(zhuǎn)速對油氣分布的影響,對于球形兜孔保持架軸承,分別在主軸轉(zhuǎn)速為1×104～3×104r/min的運行工況下進行了計算。在各個轉(zhuǎn)速下,油相體積分?jǐn)?shù)隨方位角的變化如圖9所示,在各個轉(zhuǎn)速下,距離入口較近的區(qū)域油相體積分?jǐn)?shù)較大,油相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值后隨著與入口距離的增加而減小。對其平均油相體積分?jǐn)?shù)做出趨勢曲線,可見在入口的上下游區(qū)域油相體積分?jǐn)?shù)較高,當(dāng)遠(yuǎn)離入口后,油相體積分?jǐn)?shù)較小且分布集中,與文獻(xiàn)[7]中噴油潤滑油相體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律近似。

圖9 轉(zhuǎn)速對油相體積分?jǐn)?shù)分布的影響

不同轉(zhuǎn)速下,各方位角的平均溫度如圖10所示,在油氣入口附近平均溫度較低,隨著與油氣入口距離的增加,平均溫度逐漸升高。

圖10 轉(zhuǎn)速對溫度分布的影響

3 結(jié) 論

本文針對不同保持架結(jié)構(gòu)的7008軸承,通過改變幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、轉(zhuǎn)速等,對其潤滑冷卻性能展開研究,結(jié)論如下。

(1)軸承腔內(nèi)平均油相體積分?jǐn)?shù)含量高處平均溫度較低,反之亦然。

(2)球型兜孔保持架相對于柱形兜孔保持架,使軸承腔內(nèi)平均油相體積分?jǐn)?shù)升高,換熱效果更優(yōu)。

(3)保持架兜孔間隙對于角接觸球軸承的潤滑效果有顯著影響,隨著保持架間隙的增大,軸承腔內(nèi)的平均油相體積分?jǐn)?shù)呈線性減小。保持架兜孔間隙存在最優(yōu)值。

(4)軸承腔內(nèi)油相體積分?jǐn)?shù)分布并不均勻,在油氣入口附近油相體積分?jǐn)?shù)較高,溫度較低;隨著與入口距離的增加,油相體積分?jǐn)?shù)降低,溫度升高。

[1] 郭凱,苑士華,邵子桐.噴射潤滑軸承內(nèi)部油氣兩相流動研究 [J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2012,32(10): 1021-1025.

GUO Kai,YUAN Shihua,SHAO Zitong.Study on oil-air two-phase flow inside the high-speed bearing cavity with jet lubrication [J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2012,32(10): 1021-1025.

[2] 謝軍,蔣書運,王興松,等.高速滾動軸承油氣潤滑試驗研究 [J].潤滑與密封,2006(9): 114-116.

XIE Jun,JIANG ShuYun,WANG Xingsong,et al.Experimental research on oil-air lubrication for high speed ball bearing [J].Lubrication Engineering,2006(9): 114-116.

[3] JIANG Shuyun,MAO Hebing.Investigation of the high speed rolling bearing temperature rise with oil-air lubrication [J].Journal of Tribology,2011,133(2):

021101.

[4] WU Cheng-hsien,KUNG Yu-tai.A parametric study on oil/air lubrication of high-speed spindle [J].Precision Engineering,2005,29(2): 162-167.

[5] 胡志宏,李松生,陳萍,等.超高速主軸軸承內(nèi)部潤滑狀態(tài)分析 [J].潤滑與密封,2009,34(10): 31-35.

HU Zhihong,LI Songsheng,CHEN Ping,et al.Analysis of lubricating status in ultra-high-speed spindle bearings [J].Lubrication Engineering,2009,34(10): 31-35.

[6] OH I S,KIM D,HONG S W,et al.Three dimensional air flow patterns within a rotating ball bearing [J].Advanced Science Letters,2013,19(8): 2180-2183.

[7] HU Jibin,WU Wei,WU Mingxing.Numerical investigation of the air-oil two-phase flow inside an oil-jet lubricated ball bearing [J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,68: 85-93.

[8] LUO J Y,ISSA R I,GOSMAN A D.Prediction of impeller induced flows in mixing vessels using multiple frames of reference [J].Institution of Chemical Engineers Symposium Series,1994,136: 549-556.

[9] BATCHELOR G K.An introduction to fluid dynamics [M].Cambridge,UK: Cambridge University Press,2000.

[10]HARRIS T A,KOTZALAS M N.Rolling bearing analysis [M].5th ed.Boca Raton,FL,USA: CRC Press,2006.

[11]BRACKBILL J U,KOTHE D B,ZEMACH C.A continuum method for modeling surface tension [J].Journal of Computational Physics,1992,100(2): 335-354.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

李純潔,洪軍,張進華,等.角接觸球軸承動剛度的實驗研究.2013,47(7):68-72.[doi:10.7652/xjtuxb201307013]

張錦龍,王彥偉,黃正東.高速球軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動態(tài)性能的分析與優(yōu)化.2013,47(1):57-61.[doi:10.7652/xjtuxb201301 012]

黃東洋,洪軍,張進華,等.熱阻網(wǎng)絡(luò)法在軸系溫度場求解中的應(yīng)用.2012,46(5):63-66.[doi:10.7652/xjtuxb201205011]

留劍,洪軍,楊朝暉,等.高速精密角接觸球軸承旋轉(zhuǎn)精度創(chuàng)成機理研究.2011,45(11):72-78.[doi:10.7652/xjtuxb2011 11014]

王琳琳,李國君,田輝,等.T型微通道內(nèi)氣液兩相流數(shù)值模擬.2011,45(9):65-69.[doi:10.7652/xjtuxb201109012]

(編輯 武紅江)

NumericalInvestigationofTwo-PhaseFlowfortheOil-AirLubricationInsideanAngularContactBallBearing

ZHAI Qiang1,ZHU Yongsheng1,YAN Ke1,WANG Ning1,LIU Cheng1,WANG Dongfeng2

(1.Theory of Lubrication and Bearing Institute,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China;2.Luoyang Bearing Science and Technology Company Limited,Luoyang,Henan 002046,China)

A highly accurate model for angular contact ball bearing lubrication is proposed to investigate the performance of oil-air lubrication using the CFD (computational fluid dynamics) method.The MRF (multi-reference frame) method is adopted considering the complicated motion characteristics of the bearing.Comprehensive factors such as geometric features and bearing operating parameters are considered and discussed to provide guidelines for the optimization of lubrication and cooling efficiency.The influence of two types of cages on the lubrication is also analyzed.The results show that the average temperature inside the bearing with the spherical pockets cage is lower than that with the cylindrical pockets cage.The average oil volume fraction decreases when the clearance of the cage pockets increases and the temperature inside the bearing is lower when the clearance of the cage pockets is proper.The distributions of lubricant and temperature are not uniform inside the bearing cavity.The average oil volume fraction and the average temperature inside the bearing cavity decrease when the rotating speed increases.

angular contact ball bearing; oil-air lubrication; structure of bearing cage; two-phase flow

2012-07-10。

翟強(1989—),男,碩士生;閆柯(通信作者),男,講師。

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2011CB706606);國家重大科技專項資助項目(2012ZX04005-011)。

時間:2014-05-30

10.7652/xjtuxb201406015

TH133

:A

:0253-987X(2014)06-0086-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140530.1615.004.html