MCCR軋機油膜軸承特性仿真分析

李 果,程東生,郭 強

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司, 河北 曹妃甸 063200；2.太原重工油膜軸承分公司,山西 太原 030024)

0 前言

薄板坯連鑄連軋技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過單坯軋制、半無頭軋制階段后，目前已發(fā)展進入無頭軋制階段。無頭軋制技術(shù)使連鑄到軋鋼全生產(chǎn)線設(shè)備無縫連接，整條生產(chǎn)線具有連續(xù)、自動、高效的特點。生產(chǎn)線上軋鋼機運轉(zhuǎn)不同于傳統(tǒng)軋機的間斷性負(fù)荷軋制，而是能夠具有一定的長周期連續(xù)帶負(fù)荷運轉(zhuǎn)。具有無頭軋制模式主要包括ESP無頭軋制技術(shù)、MCCR多模式連續(xù)鑄軋技術(shù)、節(jié)能型-ESP工藝技術(shù)等[1-7]。

1 油膜軸承結(jié)構(gòu)選型

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司新投產(chǎn)的年產(chǎn)210萬噸MCCR生產(chǎn)線，由DANIELI總負(fù)責(zé)，該生產(chǎn)線為全連續(xù)無頭軋制，并帶有半無頭和單塊軋制模式，產(chǎn)品以熱代冷的熱軋薄規(guī)格鋼卷和薄規(guī)格高強鋼卷為主打產(chǎn)品，產(chǎn)品抗拉強度等級保證達(dá)到800 MPa，并具備1 500 MPa等級產(chǎn)品的開發(fā)能力。生產(chǎn)的主要鋼種有汽車結(jié)構(gòu)鋼、高強鋼、耐侯鋼、酸洗基板、熱軋專用板、雙向鋼、高擴孔鋼、中錳鋼、馬氏體鋼、冷軋基料等[8]。

主要裝備有連鑄機、擺剪、隧道爐、立輥軋機、粗軋機組、感應(yīng)加熱器、精軋機組、層流冷卻、高速飛剪、卷取機，如圖1所示。

圖1 MCCR生產(chǎn)線

軋線機組配置立輥(E)、粗軋3架(H0/H1/H2)、精軋5架(F1-F5)。平輥軋機均采用四輥軋機形式，工作輥均配有彎輥、竄輥竄量±150 mm。

MCCR特殊的軋制模式，對與粗軋機、精軋機配套的油膜軸承性能要求提高。粗軋H0、H1、H2和精軋F0軋制工藝中，油膜軸承不僅承受較大的軋制壓力，同時轉(zhuǎn)速也很低，為確保油膜軸承形成承壓油膜，運行穩(wěn)定可靠，采用了靜動壓結(jié)構(gòu)的油膜軸承[9]。

靜動壓油膜軸承是具備靜壓，動壓雙重特性的混合型軸承，其主要優(yōu)點是能夠改善軸承在低速運轉(zhuǎn)下的受力狀況，提高了軸承工作可靠性[10]，延長了軸承使用壽命。圖2為靜動壓軸承結(jié)構(gòu)的示意圖，在軸承的工作區(qū)域，各開設(shè)2個靜壓油腔。當(dāng)軸承處于低轉(zhuǎn)速運行階段時，通過動壓效應(yīng)建立起來的油膜較薄，這時軸承靜壓系統(tǒng)開始工作，高壓油進入油腔，因為流出間隙小，液阻很大，靜壓油會產(chǎn)生很高的壓力(最大壓力可達(dá)到150 MPa)，從而彌補軸承動壓承載的不足。

圖2 靜動壓軸承結(jié)構(gòu)

2 油膜軸承CFD仿真

為了清楚求出動壓軸承的承載能力，采用了Computational fluid dynamics(CFD)的分析計算方法。CFD求解器是基于有限體積法，它將計算區(qū)域離散化為一系列控制體積，在這些控制體上求解質(zhì)量、動量、能量、組分等的通用守恒方程[11]。

為了簡化計算，本文僅求解質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，不引入由能量方程所控制的溫度場。式(1)為質(zhì)量守恒方程。該定律可以表述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入微單元的凈質(zhì)量[12]。

(1)

式中，Sm為從分散相的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量，該方程適用于可壓流體和不可壓流體。

動量守恒定律是任何流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

該定律實際上是牛頓第二定律。按照這一定律，可以導(dǎo)出動量守恒方程。

(2)

式中，p為靜壓；τij為應(yīng)力張量；gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力，F(xiàn)i包含了其他的模型相關(guān)源項。

應(yīng)力張量

(3)

圖3為建立好的油膜流體域模型，在仿真過程中需要采用的邊界條件如下[13]：

邊界2:軸承的兩端流體流出的壓力為大氣壓，計算上任務(wù)壓力為0。

邊界3:油膜起始邊界，一般作為供油壓力PL。

圖3 CFD仿真油膜流體域的建立

通過CFD仿真可以得出動壓軸承油膜壓力分布圖，如圖4所示。從圖4可以看出油膜分為收斂區(qū)和發(fā)散區(qū)兩個區(qū)域，油膜的壓力分布從中心到兩端遞減，通過對油膜的曲面進行積分后處理運算，可以得到油膜軸承在正常轉(zhuǎn)速下，油膜的承載力為11 876 kN，能夠滿足軋制力要求。但隨著轉(zhuǎn)速的降低，動壓油膜承載會降低，油膜厚度變薄，這個時候軸承的靜壓系統(tǒng)就開始發(fā)揮作用，圖5為仿真計算得出在低轉(zhuǎn)速工況條件下油膜厚度和承載能力關(guān)系曲線。

圖4 油膜壓力分布云圖

圖5 低轉(zhuǎn)速下油膜厚度和承載關(guān)系曲線

3 軸承疲勞壽命預(yù)測

MCCR特殊的軋制方式就決定了軋機運行必須具備很高的可靠性，不能在軋制過程中出現(xiàn)任何故障。因此MCCR油膜軸承在滿足軋制力的前提條件下，必須具備足夠的疲勞強度，不會在正常使用中發(fā)生疲勞失效。

結(jié)構(gòu)失效的一個常見原因是疲勞失效，其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)。疲勞通常被分為兩類：高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)高(如1e4～1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此，應(yīng)力通常比材料的屈服強度低，應(yīng)力疲勞用于高周疲勞；低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的，塑性變形常常伴隨低周疲勞[14]。

載荷與疲勞失效的關(guān)系，采用的是應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線來表示。材料的延展性，材料的加工工藝，幾何形狀信息，包括表面粗糙度、殘余應(yīng)力的以及存在的應(yīng)力集中，載荷環(huán)境，包括平均應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境[15]，例如，壓縮平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命長，相反，拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短，對壓縮和拉伸平均應(yīng)力，平均應(yīng)力將分別提高和降低S-N曲線。

油膜軸承襯套的疲勞失效，主要集中在巴氏合金發(fā)生累積疲勞損傷[16]，為此采用的疲勞分析理論為線性累積損失理論。采用該理論認(rèn)為材料在各個應(yīng)力水平下的疲勞損傷獨立進行，并且總的損傷可以進行線性疊加[17]。為了提高襯套的疲勞強度，本文研發(fā)了新型巴氏合金材料，改進了合金與基體的結(jié)合方式，改善了其組織狀態(tài)[18]，最終提高了巴氏合金復(fù)合層的綜合性能，。

圖6為襯套巴氏合金的疲勞壽命分布云圖，從疲勞壽命分布圖可看出，軸承疲勞失效是從靜壓油腔的邊緣開始發(fā)生，進而擴展到整個襯套的承載區(qū)域。該區(qū)域首先發(fā)生疲勞的原因是油腔的邊緣應(yīng)力值高，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7為靜壓襯套的應(yīng)力分布云圖，從圖中可看出，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，襯套靜壓油腔邊緣處的應(yīng)力最高。

圖8為仿真得出的巴氏合金疲勞敏感性曲線，疲勞敏感曲線圖可以顯示出分析部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化[19]。

圖6 靜壓襯套疲勞壽命分布圖

圖7 襯套應(yīng)力分布圖

圖8 疲勞敏感性曲線

當(dāng)交變載荷循環(huán)類型為脈動循環(huán)，載荷為軸承額定載荷1.0倍時，根據(jù)疲勞分析載荷譜的時域(動載荷經(jīng)過一次循環(huán)的時間)，結(jié)合圖6～8分析可知，油膜軸承開始失效時間約為3年。

當(dāng)交變載荷循環(huán)類型為脈動循環(huán)，載荷為軸承額定載荷0.9倍時，根據(jù)疲勞分析載荷譜的時域(動載荷經(jīng)過一次循環(huán)的時間)，結(jié)合圖6～8分析可知，油膜軸承開始失效時間約為4.8年。

當(dāng)交變載荷循環(huán)類型為脈動循環(huán)，載荷為軸承額定載荷0.8倍時，根據(jù)疲勞分析載荷譜的時域(動載荷經(jīng)過一次循環(huán)的時間)，結(jié)合圖6～8分析可知，油膜軸承開始失效時間約為10.5年。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)MCCR特殊的工況[20]，采用靜動壓結(jié)構(gòu)的油膜軸承，滿足了軋機在低轉(zhuǎn)速重載條件下的可靠運行。

(2)對動壓軸承油膜的壓力分布采用CFD分析計算方法,得出了油膜壓力分布云圖，實現(xiàn)了油膜壓力分布可視化，計算驗證了典型工況下軸承承載能力能滿足軋制要求，為油膜軸承承載計算提供了理論支撐。

(3)對MCCR襯套的壽命進行了理論分析預(yù)測，給出襯套工作時的理論壽命，為襯套在合理的工況條件下安全使用提供理論參考。