油膜軸承性能計算可視化界面的開發(fā)

唐亮，王建梅，康建峰，馬立新，薛亞文

(太原科技大學 機械工程學院，太原 030024)

油膜軸承是一種以潤滑油為介質(zhì)的滑動軸承，作為重要的支承元件，廣泛應用于中厚板軋機、冷軋機、高速線材軋機及核電發(fā)電機組等設(shè)備中[1]。動壓油膜軸承工作時根據(jù)流體動壓潤滑理論，當安裝于軸頸的錐套以一定的速度旋轉(zhuǎn)時，錐套和襯套之間被一層油膜完全隔離開，形成純液體摩擦狀態(tài)，能有效減小摩擦和磨損。因此，潤滑油膜的工作特性決定著軸承的使用壽命[2]。

油膜軸承性能計算的可視化界面設(shè)計是對油膜軸承潤滑理論研究的完善與擴展。本例通過Fortran和Visual Basic(簡稱VB)的混合編程得到了油膜壓力在周向和軸向的分布規(guī)律，給出了不同工況下沿軸向和周向油膜壓力變化曲線的可視化顯示。

1 可視化計算的思路

圖1所示為油膜軸承可視化計算系統(tǒng)流程。可視化計算界面通過計算軸承的工作性能參數(shù)模擬油膜軸承的實際工況。基于VB界面輸入或更改計算參數(shù)，其中輸入?yún)?shù)包括相對間隙、軸承直徑、寬徑比和偏心率等；輸出參數(shù)包括最大承載力、最小油膜厚度、偏位角和軋制壓力，計算結(jié)果以報表形式輸出[3]。該系統(tǒng)基于Fortran源程序生成動態(tài)鏈接庫DLL，通過VB調(diào)用動態(tài)鏈接庫進行混合編程，整個計算過程在后臺運行，將計算結(jié)果返回VB主程序界面，同時繪制油膜壓力曲線。該計算系統(tǒng)關(guān)鍵在于動態(tài)鏈接庫的建立與子程序的輸出[4]。

圖1 油膜軸承可視化計算系統(tǒng)流程

1.1 動態(tài)鏈接庫的建立

Fortran PowerStation為建立動態(tài)鏈接庫提供了全面的支持。建立一個動態(tài)鏈接庫包括：生成動態(tài)鏈接庫，輸出動態(tài)鏈接庫中的變量或過程，以供其他程序使用，使其他程序順利地使用動態(tài)鏈接庫[5]。

利用Fortran PowerStation建立動態(tài)鏈接庫的步驟如下：

(1)在Microsoft FortranStation4.0的環(huán)境下，新建一個類型為Dynamic Link Library的工程并命名；

(2)在該工程中編寫Fortran源程序；

(3)編譯、建立此源程序，生成動態(tài)鏈接庫文件。

1.2 從動態(tài)鏈接庫中輸出程序

將Fortran編寫的計算程序?qū)雱討B(tài)鏈接庫，首先要在Fortran子程序中聲明該子程序為外部子程序，使其能被DLL從外部訪問[5]。Fortran程序名必須從DLL中輸出且與VB的名字完全匹配。

輸入?yún)?shù)類型，INTENT(IN)：：輸入?yún)?shù)表；

輸出參數(shù)類型，INTENT(OUT)：：輸出參數(shù)表。

1.3 動態(tài)鏈接庫的調(diào)用

1.3.1 動態(tài)鏈接庫DLL的聲明

Fortran動態(tài)鏈接庫中的子程序或函數(shù)過程相對VB系統(tǒng)是個子過程，使用時須指定過程的位置和調(diào)用參數(shù)，以便編譯器找到該過程，生成正確的調(diào)用接口，聲明可用 Declare 語句提供這類信息。

如果該過程返回一個值，應將其聲明為：Declare Function<動態(tài)鏈接庫中的子過程名>Lib，<動態(tài)鏈接庫中文件路徑名>[alis“過程別名”](參數(shù)表)。如果過程沒有返回值，可將其聲明為：Declare Sub<動態(tài)鏈接庫中的子過程名>Lib，<動態(tài)鏈接庫中文件路徑名>[alis“過程別名”](參數(shù)表)。

1.3.2 動態(tài)鏈接庫DLL的調(diào)用

在聲明DLL 過程之后，VB將其作為內(nèi)部過程使用。在聲明函數(shù)之后，其調(diào)用方式與標準的 VB函數(shù)相同。需要先定義被調(diào)用子程序的過程參數(shù)類型，然后賦值，最后使用Call語句調(diào)用。調(diào)用格式為：Call子過程或函數(shù)過程名(實參，…)，其中無參數(shù)時，省略括號[6]。

2 可視化界面的開發(fā)

2.1 油膜壓力計算

油膜壓力計算關(guān)鍵在于Reynolds方程的求解。Reynolds方程是流體動壓潤滑基本方程，普遍形式為[7]

(1)

對于穩(wěn)態(tài)工況的軸承，假設(shè)潤滑油為不可壓縮流體，液體潤滑劑密度可視為常數(shù)。當潤滑油膜的熱效應不十分明顯時，可視為等溫狀態(tài)，即流體黏度在整個潤滑膜中保持不變，可將Reynolds方程簡化為

(2)

為計算簡便，對Reynolds方程進行如下無量綱化[6]

其中，x為油膜軸承周向長度；z為油膜軸承軸向長度；y為油膜厚度；R為軸承半徑；c為半徑間隙；L為軸承寬度；ε為偏心率；ω為軸頸自轉(zhuǎn)角速度；η0為入口處潤滑油的黏度。

(3)

運用有限差分法解上述偏微分方程，利用有限差分近似值代替導數(shù)，把二維偏微分方程轉(zhuǎn)換為一維差分方程，將承載區(qū)沿周向展開成矩形區(qū)域并劃分網(wǎng)格，計算各個節(jié)點的壓力值[8]。

2.2 油膜壓力分布的可視化

將油膜軸承承載區(qū)沿周向平均分為M個節(jié)點，沿軸向平均分為N個節(jié)點，本例設(shè)定M=49，N=37，運用有限差分法計算出各網(wǎng)格節(jié)點的壓力值，然后采用VB繪圖，其編程方法為：

(1)在VB界面中創(chuàng)建命令控件1(commandbutton)，標簽設(shè)定為“繪制壓力曲線”；創(chuàng)建命令控件2，標簽設(shè)定為“清屏”，代碼中使用Cls方法清屏[7]。

(2)在VB界面中創(chuàng)建圖片框控件(picturebox)，在控件上輸出圖形并用print方法輸出文本，同時設(shè)定繪圖區(qū)域大小，其代碼在命令控件1中設(shè)置。

(3)用scale方法設(shè)定坐標區(qū)域大小，使用line方法繪制兩坐標軸，橫坐標為周向或軸向節(jié)點，縱坐標為無量綱壓力大小，用print方法輸出坐標軸信息，其代碼在命令控件1中設(shè)置。

(4)創(chuàng)建文本框用以輸入所繪制的位置，并在命令控件1中編寫代碼給變量賦值，在循環(huán)語句中寫入line語句，從而繪制出壓力分布曲線[7]。

輸入表1中工況1的參數(shù)，點擊VB界面“計算”按鈕，并點擊“繪制壓力曲線”按鈕，繪制出承載區(qū)周向壓力分布(圖2)和軸向壓力分布(圖3)；輸入工況2的參數(shù)，進行與工況1相同的操作，繪制出承載區(qū)周向壓力分布(圖4)和軸向壓力分布(圖5)。結(jié)合工況1和工況2的計算結(jié)果，觀察可知油膜軸承的受載特征。

表1 油膜軸承輸入?yún)?shù)

圖2 工況1的周向油膜壓力分布

圖3 工況1的軸向油膜壓力分布

圖4 工況2的周向油膜壓力分布

圖5 工況2的軸向油膜壓力分布

(1)選定工況1中周向第19組數(shù)據(jù)進行繪圖(圖2)，周向油膜壓力分布具有對稱性，在0～15節(jié)點和35～48節(jié)點內(nèi)數(shù)值較小,而且變化平穩(wěn)；在15～35節(jié)點內(nèi)數(shù)值較大；在27節(jié)點附近達到峰值，確定該點區(qū)域為周向承受軋制力的主要區(qū)域。

(2)選定工況1中軸向第30組數(shù)據(jù)進行繪圖(圖3)，軸向油膜壓力分布均勻且對稱，在19節(jié)點附近達到峰值，確定該點區(qū)域是軸向承受軋制力的主要區(qū)域。

(3)分別選定周向第19組數(shù)據(jù)和軸向第30組數(shù)據(jù)進行繪圖(圖4、圖5)，油膜壓力分布趨勢基本相同。對比圖4與圖2、圖5與圖3可知，相同節(jié)點處在工況2下的油膜壓力高于工況1。由此可知，在其他輸入?yún)?shù)不變的情況下，油膜壓力隨著軋輥轉(zhuǎn)速的升高而增大。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)可依據(jù)不同參數(shù)進行計算和繪圖，可以直觀地顯示油膜壓力沿周向和軸向的分布規(guī)律，能方便地分析出不同工況對油膜壓力的影響。將可視化技術(shù)作為油膜軸承潤滑理論研究的新方法，將會顯著地縮短油膜軸承的設(shè)計周期，有效降低設(shè)計成本。