基于TFSI的沖擊載荷作用下可傾瓦徑向軸承熱瞬態(tài)性能分析

張培良，張 宏，武中德，張宇崢，王 森

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

基于TFSI的沖擊載荷作用下可傾瓦徑向軸承熱瞬態(tài)性能分析

張培良，張 宏，武中德，張宇崢，王 森

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

為了研究可傾瓦徑向軸承在載荷擾動下的瞬態(tài)行為，對瞬態(tài)油膜壓力和溫度分布采用TFSI（Temperature-Fluid-Structure Iteration）瞬態(tài)計算方法，建立三維油膜和軸頸及瓦塊三維有限元模型。應用熱流固耦合迭代求解方法，模擬汽輪發(fā)電機可傾瓦徑向軸承在階躍載荷沖擊工況下熱瞬態(tài)非線性響應過程。給出瞬態(tài)過程中油膜溫度分布，最高溫度、最小膜厚等參數的變化規(guī)律。認為瞬態(tài)過程中，油膜溫度和膜厚變化量較大，油膜溫度和膜厚響應有一定的超調量，瞬態(tài)過程中有可能因油膜溫升過高或膜厚太小而導致失效。

熱瞬態(tài)；可傾瓦；徑向軸承；響應；熱流固耦合

0 前言

徑向滑動軸承是高速重載設備的關鍵組成部分，其性能好壞是設備運行是否穩(wěn)定的決定因素[1-4]。軸承工作時產生粘滯損耗，使軸承工作溫度升高，潤滑液粘度降低，還會導致軸和軸承座熱變形，對軸承性能產生巨大影響。熱分析在軸承設計中是重要一環(huán)，它對軸承運行的可靠性和穩(wěn)定性起著舉足輕重的作用。

目前的徑向軸承計算多基于絕熱計算模型，忽略熱變形和彈性變形對潤滑性能的影響。事實上，軸承系統(tǒng)中軸承座、潤滑油、軸之間的傳熱是相互影響、相互制約的[5-8]。傳統(tǒng)方法是采用雷諾方程[9-11]或單純的計算流體動力學 CFD法[12-13]求解軸承油膜特性，而忽略了軸承系統(tǒng)液體與固體之間的耦合作用。瞬態(tài)熱計算需要考慮熱變形、機械變形、熱傳遞、機械運動及潤滑液性能隨溫度的變化。油膜熱慣性小，要求計算時間步長短，而軸承的熱慣性大，計算時間長。因此在計算中存在工作量大的困難。

熱流固耦合方法[14-15]通過使用三維油膜有限元模型，與固體的三維有限元模型（軸、軸承座）進行熱交換和變形迭代，求得軸承油膜的潤滑性能。油膜和軸及軸承座通過流固耦合界面進行換熱，同時軸和軸承座的熱變形反作用于油膜進行迭代，相比不考慮固體變形的徑向軸承計算，熱流固耦能更為精確地反映熱瞬態(tài)過程中的變化規(guī)律。

本文建立了全面的可傾瓦徑向軸承絕熱瞬態(tài)計算模型，考慮了軸的運動及油膜的瞬態(tài)耦合作用，對可傾瓦徑向軸承的熱瞬態(tài)過程進行分析，給出了可傾瓦徑向軸承在沖擊載荷作用下的熱瞬態(tài)性能分析。

1 計算模型

計算模型為分塊可傾瓦徑向軸承，結構參數見表1。軸和軸瓦的有限元模型如圖1所示，油膜的有限元模型如圖2所示。

表1 軸承結構參數

圖1 軸和軸瓦有限元模型

圖2 油膜有限元模型

2 計算參數及求解方法

計算過程中采用SIMPLE方法，運動微分方程求解采用Newton Raphson法從平衡位置開始，獲得各時刻軸頸和瓦塊位置，并據此得到油膜溫度和壓力等參數，直到運行穩(wěn)定。軸頸轉速為1500r/min。對平衡狀態(tài)軸承施加一個階躍載荷，然后模擬軸承在受到沖擊后的熱瞬態(tài)行為，計算中沖擊載荷為110%的軸承載荷，沖擊載荷方向與軸承負荷方向相同。

3 計算結果

首先得到在額定負荷下軸承穩(wěn)定運行的參數，其中穩(wěn)態(tài)的油膜壓力和溫度分布分別如圖3和圖4所示，軸承座溫度分布如圖5所示，軸承座應力分布如圖6所示。圖中位于下方的1號和2號瓦的油膜壓力及溫度值比其余瓦高很多，說明1號、2號瓦在軸承中工作狀況最為嚴酷。

圖3 壓力分布

圖4 油膜溫度分布圖

圖5 軸承座溫度分布

圖6 軸承座應力分布

軸承受到階躍載荷沖擊后很短時間內的壓力變化過程如圖7所示。可看出1號 、2號瓦在響應開始階段壓力迅速增大，而3號、4號瓦上的壓力減小但變化幅度不大。由于油膜系統(tǒng)在載荷沖擊下的非線性振蕩，軸承在沖擊載荷作用下在很短時間內就接近穩(wěn)態(tài)壓力值（穩(wěn)態(tài)值的93%），隨后油膜壓力變化緩慢趨于穩(wěn)定。各瓦塊油膜溫度響應曲線如圖8所示，瞬態(tài)溫度響應具有一定的超調，溫度變化與壓力變化相比相對緩慢，1號瓦溫升最高，溫度變化為0.55℃，溫度達到穩(wěn)定時間約為0.04 s。沖擊載荷增加了1號、2號瓦的載荷，使其溫度增加，同時3號、4號瓦油膜厚度增加，溫度降低。

圖7 壓力響應

圖8 最高溫度響應曲線

油膜壓力分布和油膜下面溫度分布分別如圖9和圖10所示，瓦的編號從左到右為4、3、2、1，1號和2號瓦的溫度和壓力顯著高于3號和4號瓦。

圖9 油膜壓力分布

圖10 油膜下面溫度分布

最小膜厚的響應曲線如圖11所示，由圖可知2號瓦最小膜厚隨著時間增長而減小最后趨于穩(wěn)定。由于2號瓦分擔載荷最多，其膜厚變化量最大，最小膜厚減薄約4.6μm。潤滑膜厚度變化導致潤滑膜溫度的變化，二者均存在超調，并且可能是軸承失效的原因之一。

圖11 2號瓦最小油膜厚度響應曲線

軸心的運動軌跡如圖12所示。在受到沖擊載荷后，軸心沿載荷沖擊方向按一定規(guī)律運動并很快穩(wěn)定在一個確定位置，驗證了可傾瓦軸承的穩(wěn)定性。4塊瓦擺角隨時間變化關系如圖13所示，對稱分布的1號和3號瓦、2號和4號瓦的擺角變化趨勢是相反的，形態(tài)上基本對稱。在受到沖擊后瓦擺角迅速變化并趨于穩(wěn)定，擺角最大為3號瓦的-4×10-5rad，也具有一定超調量。

圖12 軸心運動軌跡

圖13 1～4號軸承擺角與時間關系

4 結論

（1）建立三維軸承模型，包含油膜、軸頸、軸承座，對其熱流固耦合計算，得到軸承瞬態(tài)潤滑性能。方法可行有效。

（2）對可傾瓦徑向軸承的三維瞬態(tài)計算模型施加沖擊載荷，得到其液膜最大壓力、最高溫度、液膜厚度、軸心軌跡及軸承擺角隨時間的變化規(guī)律。

（3）沖擊載荷導致可傾瓦徑向軸承潤滑參數具有一定的超調量，可能引發(fā)軸承油膜溫度過高或過低。從而造成軸承失效而導致事故，設計中應予以重視。

[1]黎偉,陳志祥,汪久根.多瓦可傾瓦徑向滑動軸承熱潤滑性能分析[J].潤滑與密封,2011,36(12):14-18.

[2]馬希直,朱均.可傾瓦徑向滑動軸承絕熱瞬態(tài)過程分析[J].航空動力學報,2009(8).

[3]王麗萍,喬廣,鄭鐵生.可傾瓦徑向滑動軸承完整動特性系數的分析模型[J].計算力學學報, 2008,25(6):921-926.

[4]張培良,張宏,武中德,等.基于流固熱耦合的1000MW 級汽輪發(fā)電機滑動軸承性能分析[J].大電機技術,2013(5):30-33.

[5]張建斌,池長青.淺腔階梯液體動靜壓混合軸承溫度場分析[J].北京航空航天大學學報,1997, 23(3):390-394.

[6]張國淵,袁小陽.水潤滑動靜壓軸承三維壓力及溫度場分布理論研究[J].潤滑與密封,2006(8):4-7.

[7]潘依森,潘思能.液體動壓滑動軸承油膜溫度場的分析與計算[J].福州大學學報:自然科學版, 1995,23(3):39-44.

[8]張杰,郭宏升,牛彝,等.水潤滑高速動靜壓滑動軸承數值模擬[J].農業(yè)機械學報,2008,39(6):159-162.

[9]張雨,駐志沛.有限長動載荷滑動軸承的雷諾方程數值解的應用[J].武漢交通科技大學學報, 1995,19(4):424-429.

[10]平克斯,斯德因李希特.流體動力潤滑理論[M].機械工業(yè)出版社,1980.

[11]張直明,張言羊,謝友柏.滑動軸承的流體動力潤滑理論[J].高等教育出版社,1986,1(9):8.

[12]馬濤,戴惠良,劉思仁.基于 FLUENT的液體動靜壓軸承數值模擬[J].東華大學學報:（自然科學版）,2010,36(3):279-282.

[13]高慶水,楊建剛.基于 CFD方法的液體動壓滑動軸承動特性研究[J].潤滑與密封,2008(9).

[14]F.T.巴威爾.軸承系統(tǒng)—理論和實踐[M].機械工業(yè)出版社,1983.

[15]岳戈,陳權.ADINA應用基礎與實例詳解[M].北京:人民交通出版社,2008.

Thermal Transient ProcessAnalysis of Tilting Pad Bearing under Impact Load Based on TFSI

ZHANG Peiliang,ZHANG Hong,WU Zhongde,ZHANG Yuzheng,WANG Sen
(Harbin Institute of Large Electrical Machinery,Harbin 150040,China）

In order to study the tilting pad radial bearing transient state behavior under disturbance load,TFSI transient state computational method was used to compute the pressure and the temperature distribution of oil film,three-dimensional finite element model include oil film and title bearing pad and shaft collar were built.Using the heat flow solid coupling iteration solution method, the nonlinear hot transient response process of turbo-generator tilting radial bearing under impact load is simulated.Changing law of the oil film temperature distribution,the maximum temperature, the smallest oil film thickness and so on are obtained.It is considered that in the transient state process,the significant changes of oil film temperature as well as film thickness are resulted from overshoot in the responses of maximum temperature and minimum film thickness,leading possibly to the damage of bearing during transient period.

thermal transient;tilting pad;journal bearing;response;temperature

TM303.5

A

1000-3983(2017)01-0033-03

2015-10-27