可傾軸瓦油膜有限元仿真探究及運(yùn)行改善建議

劉 磊

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司冶煉廠， 湖北 黃石 435005)

0 前言

某冶煉廠熔煉車(chē)間SVK12-3S離心空氣壓縮機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“150空壓機(jī)”)是為熔煉車(chē)間粉煤及電收塵輸送系統(tǒng)提供壓縮空氣的主要設(shè)備，級(jí)數(shù)為三段三級(jí)，送風(fēng)量達(dá)到150 Nm3/min，出口壓力為0.8 MPa，是熔煉系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)冶煉系統(tǒng)的生產(chǎn)?，F(xiàn)該系統(tǒng)停產(chǎn)檢修周期由1年逐漸延長(zhǎng)至2年，對(duì)該設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。

對(duì)該設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，需要耗費(fèi)較大改造成本和時(shí)間，難以在實(shí)際中進(jìn)行試驗(yàn)。故從設(shè)備管理角度出發(fā)，150空壓機(jī)可傾軸瓦的損壞及定期更換一直是主要檢修原因。根據(jù)黃首峰等[1]的研究，采用CFD軟件對(duì)可傾軸瓦進(jìn)行研究方便快捷，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)值相比誤差較小，可以認(rèn)為可靠有效。羅大兵等[2]的研究表明，仿真結(jié)果能夠反應(yīng)一定條件下可傾軸瓦的工作狀態(tài)，對(duì)故障診斷發(fā)揮重要的作用。故利用有限元仿真技術(shù)對(duì)可傾軸瓦油膜進(jìn)行仿真可以令設(shè)備管理人員更直觀地掌握150空壓機(jī)的可傾軸瓦實(shí)際狀態(tài)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)軸瓦的定量和定性分析，實(shí)現(xiàn)提前故障預(yù)測(cè)，再結(jié)合經(jīng)驗(yàn)制定措施降低故障率，使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，對(duì)150空壓機(jī)可傾軸瓦進(jìn)行有限元仿真是非常有必要的，這也是掌握軸瓦實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)備件損耗及原因，乃至優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)備管理的基礎(chǔ)研究工作。

1 可傾軸瓦及油膜模型的建立

1.1 實(shí)際工況及仿真模型邊界條件

本文對(duì)150空壓機(jī)的一、二級(jí)軸瓦進(jìn)行研究。該壓縮機(jī)在達(dá)到額定送風(fēng)量、風(fēng)壓及工作穩(wěn)定情況下，一、二級(jí)軸轉(zhuǎn)速分別為26 322 r/min和34 745 r/min，使用的潤(rùn)滑油為46號(hào)汽輪機(jī)油，密度為871 kg/m3,運(yùn)動(dòng)粘度(40 ℃)為44.10 mm2/s?？諌簷C(jī)正常運(yùn)行時(shí)，潤(rùn)滑前潤(rùn)滑油平均溫度為25 ℃；潤(rùn)滑后潤(rùn)滑油平均溫度為40 ℃;潤(rùn)滑油總管壓力為0.342 MPa。

將模型理想化，假設(shè)邊界條件如下:

1) 將軸承間隙內(nèi)的流體看成不可壓縮的三維定常流動(dòng)。

2) 潤(rùn)滑油的慣性力忽略不計(jì)，并且潤(rùn)滑油與軸頸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。

3) 臨界雷諾數(shù)Re<2 000,油膜流動(dòng)總保持穩(wěn)定的層流狀態(tài)。

4) 默認(rèn)潤(rùn)滑條件為360°流體潤(rùn)滑軸承。

1.2 可傾軸瓦及油膜模型

150空壓機(jī)一、二級(jí)軸及可傾軸瓦相關(guān)尺寸見(jiàn)表1。

表1 150空壓機(jī)一、二級(jí)軸及可傾軸瓦相關(guān)參數(shù)

一、二級(jí)可傾軸瓦分布情況均為3塊下瓦、2塊上瓦，共計(jì)5塊。據(jù)此建立三維模型，軸承模型示意圖及軸瓦物理三維模型如圖1和圖2所示。

R-軸瓦內(nèi)壁半徑；r-軸半徑；e-偏心距；θ-偏心角度，45°；hmin-最小油膜間隙圖1 軸承模型示意圖

圖2 軸瓦物理三維模型

根據(jù)以上模型，將油膜模型抽取，得到其三維模型，如圖3所示。

圖3 油膜三維模型

1.3 控制方程及模型網(wǎng)格劃分

1.3.1 控制方程

1) 連續(xù)性方程為：

(1)

式中：v——速度矢量， m/s；

ρ——密度， kg/m3；

t——時(shí)間， s。

2) 動(dòng)量守恒方程為：

(2)

μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；

g——重力加速度， m/s2；

p——流體壓力， Pa；

f——單位體積流體受的外力， N。

3) 能量守恒方程為：

(3)

其中，div代表散度，grad代表梯度。

式中：cp——比熱容， J/(kg·℃)；

k——流體傳熱系數(shù)， W/(m·K)；

Sr——流體內(nèi)部熱源的機(jī)械能轉(zhuǎn)化長(zhǎng)熱能的部分；

T——溫度，℃。

1.3.2 模型網(wǎng)格劃分

根據(jù)油膜的結(jié)構(gòu),對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。需要將SolidWorks建好的模型導(dǎo)入ANSYS中，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為0.5 mm。一級(jí)軸瓦油膜模型的最終網(wǎng)格數(shù)為294 784，節(jié)點(diǎn)數(shù)為265 794。二級(jí)軸瓦油膜模型的最終網(wǎng)格數(shù)為211 324，節(jié)點(diǎn)數(shù)為192 283。一、二級(jí)軸的旋轉(zhuǎn)方向即潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎龑?duì)Z軸沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。

圖4 潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)方向

2 有限元仿真計(jì)算及分析

對(duì)一、二級(jí)軸瓦油膜的常見(jiàn)工況進(jìn)行簡(jiǎn)化，在常溫直接啟動(dòng)、加熱正常開(kāi)車(chē)、正常運(yùn)行、油溫過(guò)高、極端情況這5種工況，即供給潤(rùn)滑油溫度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“進(jìn)油溫度”)為25 ℃、35 ℃、45 ℃、55 ℃、65 ℃條件下，進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到收斂后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真結(jié)果。

2.1 一級(jí)軸瓦油膜模型仿真結(jié)果

2.1.1 油膜溫度

不同進(jìn)油溫度條件下，一級(jí)軸瓦油膜溫度云圖如圖5所示。

圖5 不同進(jìn)油溫度下一級(jí)軸瓦油膜溫度云圖

圖5中每個(gè)軸瓦位置對(duì)應(yīng)的油膜區(qū)域都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溫度集中區(qū)域。將溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。油膜最高溫度從25.05 ℃上升到64.95 ℃，最低溫度從24.95 ℃上升到47.75 ℃，兩者都是隨著進(jìn)油溫度升高而上升，但是最低溫度上升趨勢(shì)較緩慢；在進(jìn)油溫度為25 ℃時(shí)，溫差只有0.1 ℃，其余溫差都在10 ℃以?xún)?nèi)。

圖6 不同進(jìn)油溫度下一級(jí)軸瓦油膜溫度統(tǒng)計(jì)

2.1.2 油膜壓力

不同進(jìn)油溫度條件下，一級(jí)軸瓦油膜壓力云圖如圖7所示。

從圖7中可以看出，油膜分布有非常明顯的壓力集中區(qū)，其中5個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)高壓力集中現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)也有5個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)最低壓力集中現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)定好的軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向，最高壓力區(qū)與最低壓力區(qū)交替出現(xiàn)。將壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。不同進(jìn)油溫度條件下，最高壓力、最低壓力及壓差基本呈現(xiàn)一條直線(xiàn)，平均最高壓力為0.632 8 MPa，平均最低壓力為0.070 4 MPa，平均壓差為0.562 4 MPa。根據(jù)圖8，壓差較小，預(yù)計(jì)一級(jí)軸瓦不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象[3]。

圖7 不同進(jìn)油溫度下一級(jí)軸瓦油膜壓力云圖

圖8 不同進(jìn)油溫度下一級(jí)軸瓦油膜壓力統(tǒng)計(jì)

2.1.3 截面流速

不同進(jìn)油溫度條件下，一級(jí)軸瓦油膜橫截面流速云圖如圖9所示。由圖9可知，只有在25 ℃和35 ℃條件下，左下角軸瓦間隙存在潤(rùn)滑油飛散現(xiàn)象，導(dǎo)致潤(rùn)滑油局部流速降低至0 m/s；但所有溫度條件下最高流速均恒定為13.16 m/s。

2.2 二級(jí)軸瓦油膜模型仿真結(jié)果

2.2.1 油膜溫度

不同進(jìn)油溫度條件下的二級(jí)軸瓦油膜溫度云圖如圖10所示。由圖10可知，在25 ℃、35 ℃、55 ℃條件下，二級(jí)軸瓦位置對(duì)應(yīng)的油膜區(qū)域都出現(xiàn)明顯溫度集中區(qū)域。將溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖11所示。油膜最高溫從29.75 ℃上升到64.95 ℃，最低溫度從16.35 ℃上升到48.15 ℃，兩者都是隨著進(jìn)油溫度升高而上升，且上升趨勢(shì)基本一致；溫差變化保持在20 ℃以?xún)?nèi)。相較于一級(jí)軸瓦，二級(jí)軸瓦溫差明顯增大，溫差在進(jìn)油溫度35 ℃條件下呈現(xiàn)最低，為9.5 ℃。

圖10 不同進(jìn)油溫度下二級(jí)軸瓦油膜溫度云圖

圖11 不同進(jìn)油溫度下二級(jí)軸瓦油膜溫度統(tǒng)計(jì)

2.2.2 油膜壓力

不同進(jìn)油溫度條件下二級(jí)軸瓦油膜壓力云圖如圖12所示。由圖12可知，所有軸瓦的油膜均存在壓力集中區(qū)域，與一級(jí)軸瓦的情況基本相同，有10個(gè)壓力集中區(qū)，5個(gè)呈現(xiàn)最高壓力集中，對(duì)應(yīng)5個(gè)呈現(xiàn)最低壓力集中。根據(jù)設(shè)定好的軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向，最高壓力區(qū)與最低壓力區(qū)交替出現(xiàn)。

圖12 不同進(jìn)油溫度下二級(jí)軸瓦油膜壓力云圖

將壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖13所示。在不同進(jìn)油溫度條件下，最高壓力、最低壓力及壓差基本呈現(xiàn)一條直線(xiàn)，平均最高壓力為68.10 MPa，平均最低壓力為-64.58 MPa，平均壓差為132.68 MPa，呈非常穩(wěn)定狀態(tài)，但二級(jí)軸瓦存在出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象的可能[3]。在負(fù)壓區(qū)由于強(qiáng)大的壓力作用，油膜進(jìn)入軸瓦間隙時(shí)破裂，并在軸瓦內(nèi)表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中再次成型，導(dǎo)致軸瓦出現(xiàn)另一次壓力驟升。

圖13 不同進(jìn)油溫度下二級(jí)軸瓦油膜壓力統(tǒng)計(jì)

2.2.3 載面流速

不同進(jìn)油溫度條件下二級(jí)軸瓦油膜橫截面流速云圖如圖14所示。

由圖14可以發(fā)現(xiàn)，在所有溫度條件下，5個(gè)二級(jí)軸瓦間隙存在不同程度的潤(rùn)滑油飛散現(xiàn)象，以右下角的間隙表現(xiàn)得最為劇烈；但所有溫度條件下最高流速均恒定為82.0 m/s。

3 模型驗(yàn)證

將一、二級(jí)軸瓦2017—2020年檢修情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢园l(fā)現(xiàn)，一級(jí)軸瓦使用情況好于二級(jí)軸瓦，二級(jí)軸瓦更容易損壞，因此證明二級(jí)軸瓦容易出現(xiàn)油膜破裂現(xiàn)象，這與150空壓機(jī)在2017—2020年多次大停電、控制系統(tǒng)故障等異常停車(chē)情況有關(guān)。對(duì)于出現(xiàn)燒損、咬粘、坑洼現(xiàn)象的軸瓦，必須進(jìn)行更換；而對(duì)于未出現(xiàn)燒損、咬粘、坑洼現(xiàn)象，但瓦塊內(nèi)壁有明顯發(fā)黑(油溫高積碳)、表面劃傷現(xiàn)象的軸瓦，可以對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理，清洗后回裝使用。

表2 2017—2020年一、二級(jí)軸瓦檢修情況統(tǒng)計(jì)

對(duì)比2017—2020年三次檢修情況與仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，軸瓦實(shí)際損壞程度與本文三維仿真模型結(jié)果中二級(jí)軸瓦油膜壓力分布情況及壓差巨大，極有可能發(fā)生油膜破裂的判斷基本一致，證明了仿真模型的有效性。大量軸瓦燒損、積碳現(xiàn)象存在，對(duì)潤(rùn)滑油溫度即散熱提出更高要求。

4 可傾軸瓦的常見(jiàn)失效形式及運(yùn)行改善建議

可傾軸瓦的常見(jiàn)失效形式有5種：磨粒磨損、咬粘、疲勞剝落、刮傷、腐蝕[4]。軸瓦明顯表現(xiàn)出咬粘現(xiàn)象，主要是因?yàn)橛湍て屏鸦驖?rùn)滑油不足，導(dǎo)致軸瓦塑性變形，引起失效。姬英明[5]通過(guò)進(jìn)行可傾瓦滑動(dòng)軸承流固耦合分析得出了油膜壓力分布、軸瓦應(yīng)力分布和軸瓦變形三者之間的關(guān)系，即油膜壓力分布決定了軸瓦的應(yīng)力分布，直接影響軸瓦形變分布。因此本文認(rèn)為，油膜壓力變化是150空壓機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵。

根據(jù)陳鴻釗[6]的研究，潤(rùn)滑油進(jìn)油溫度不應(yīng)低于25 ℃，出油溫度不高于60 ℃；肖瓊[7]的研究表明，潤(rùn)滑油的溫度直接影響粘度，溫度過(guò)低，粘度增大，油膜過(guò)厚，不穩(wěn)定易破裂；溫度過(guò)高，油膜減薄，難以形成，起不到潤(rùn)滑作用。

綜上，理論結(jié)合實(shí)踐，對(duì)改善該軸承運(yùn)行提出如下建議：

1) 觀察瓦塊瓦面，發(fā)現(xiàn)瓦塊的出口側(cè)有明顯磨損，判斷為軸經(jīng)過(guò)多年使用有輕微磨損導(dǎo)致軸徑變小，引起出口側(cè)油壓不穩(wěn)，油膜變薄，間隙變小，從而導(dǎo)致瓦塊出口側(cè)嚴(yán)重磨損。因此，未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注軸的直徑變化，每次開(kāi)蓋進(jìn)行檢查測(cè)量，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)后需要進(jìn)行更換。

2) 堅(jiān)持定期油液分析，監(jiān)控顆粒物和油質(zhì)污染，監(jiān)測(cè)頻率不低于每季度一次，且油質(zhì)取樣點(diǎn)需要確保不能只取油箱上層油液，保證日常用油的性能參數(shù)，實(shí)時(shí)關(guān)注油箱進(jìn)出口壓差。需要換油時(shí)，應(yīng)該全部更換。

3) 據(jù)分析，出油側(cè)壓力大，故每次空壓機(jī)停車(chē)后再開(kāi)車(chē)時(shí)必須堅(jiān)持操作規(guī)程，將油液升溫的工序做到位，待溫度達(dá)到35～40℃后再啟動(dòng)空壓機(jī)，能極大緩解初啟動(dòng)時(shí)的干摩擦現(xiàn)象。

5 結(jié)論

軸瓦油膜的仿真結(jié)果顯示：

1) 一、二級(jí)軸瓦油膜都存在壓力集中區(qū)，高壓區(qū)、低壓區(qū)域交替出現(xiàn)，但一級(jí)軸瓦油膜壓力分布全為正壓，二級(jí)軸瓦油膜則有負(fù)壓區(qū)域出現(xiàn)，且壓力變化巨大，正負(fù)壓差超過(guò)130 MPa，預(yù)計(jì)極易發(fā)生空穴現(xiàn)象，導(dǎo)致油膜破裂。

2) 隨著進(jìn)油溫度的不同，二級(jí)軸瓦油膜溫差稍大于一級(jí)軸瓦油膜，最高溫度與最低溫度變化基本一致。

3) 進(jìn)油溫度對(duì)一、二級(jí)軸瓦油膜流速?zèng)]有影響，流速非常穩(wěn)定，分別為13.16 m/s和82.0 m/s。

4) 仿真結(jié)果與2017—2020年檢修情況基本符合，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性，說(shuō)明仿真模擬在一定程度上實(shí)現(xiàn)了可傾軸瓦運(yùn)行時(shí)油膜流動(dòng)過(guò)程的模擬和計(jì)算。