基于计算流体力学方法的动静压轴承研究

铜　业　工　程　２ｏｏ８　Ｎｏ４　文章编号：１００９—３８４２（２００８）０４—００６４—０３　

基于计算流体力学方法的动静压轴承研究　

刘松平　（江西铜业集团公司贵溪冶炼厂，江西贵溪３３５４２４）　

摘要：在分析雷诺方程求解流体润滑问题局限性的基础上，给出了基于Ｎ—ｓ方程的计算流体力学（ＣＦＤ）求　解流体润滑问题的方法。并以某四腔动静压轴承为对象，给出了ＣＦＤ方法的求解流程，结果验证了ＣＦＤ方法分析　此类问题的可行性和有效性，并得出了一些有价值的结论。　关键词：雷诺方程；计算流体力学；Ｎ—ｓ方程；动静压轴承　中图分类号：ＴＨ１３３　文献标识码：Ｂ　

１　前言　

Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程为流体润滑问题奠定了理论基　础　】，但在它的推导过程中做了许多简化的假设，　如忽略了惯性项、假设粘度和密度不变等。随着计　算能力的提高，人们以此模型为基础分析影响轴承　润滑性能的众多因素，包括：进油温度、进油压力、弹　性变形、热变形等。随着工程问题复杂程度的增加，　雷诺方程的局限性也越来越突出。如对于在低粘　度、高供油压力润滑下的高速动静压轴承，不仅要考　虑湍流，甚至还要考虑惯性力。这时就要引进新的　计算方法和模型。　计算流体动力学（ＣＦＤ）是２０世纪６Ｏ年代起伴　随计算机技术迅速崛起的学科，它以流体力学基本　方程Ｎ—Ｓ方程作为求解的基本方程，使ＣＦＤ方法　求解润滑问题成为可能。各种ＣＦＤ通用软件的数　学模型的组成都是以纳维一斯托克斯方程组（Ｎ—ｓ　方程）与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、　自由面流模型等。其中Ｆｌｕｅｎｔ应用范围最广。　从以上分析看出，传统计算方法的弱点，正是　ＣＦＤ所擅长的，它扩大了求解范围，使模型更接近　实际情况，可以用来求解雷诺方程无法求解分析的　问题，如求解惯性力影响、流线等。所以把２种方法　结合起来，能更好的处理特殊润滑问题。Ｐ　Ｙ　Ｐ　Ｃｈｅｎ和Ｅ　Ｊ　Ｈａｈｎ　］等用滑动轴承、阶梯轴承、径向　轴承在定常单向承载、稳态工况下，求得雷诺方程的　解析解，并用ＣＦＤ方法求得的解进行对比（如图ｌ　收稿日期：２００８—０９一ｌ８　所示）。证明当雷诺数较小时，ＣＦＤ方法和求解雷　诺方程得到的解析解是基本重合的。而当雷诺数增　大时，惯性项的影响增大，二者的压力分布和最大压　力出现了偏差。蒋小文，顾伯勤　利用ＣＦＤ方法研　究了收敛楔形间隙中流体的稳态、一元流动进行了　数值模拟，得到了间隙中流体膜的压力和速度分布。　数值模拟与解析结果基本吻合，表明了数值模拟的　正确性。　

．’、ｆ　＼＼＼＼辱　＼一　

承曩裹面上的题囊　图１　轴承模型及结果压力分布对比　

２　Ｎ—Ｓ方程　

计算流体力学（ＣＦＤ）软件是基于Ｎ—ｓ方程的。　微分型控制方程是流体微团的能量守恒方程、动量守　恒方程和能量守恒方程，

并且是控制流动的偏微分方　２００８　Ｎｏ４　刘松平：基于计算流体力学方法的动静压轴承研究　６５　

程，故称流动控制方程或支配方程。但由于流动控制　方程不能自行封闭，需要补充独立的方程。对于粘性　流体需要建立本构方程来求解粘性流体的控制方程。　为了寻求表达不可压缩流运动的一个最全面的微分　方程式，需要将流体的控制方程与本构方程组合在一　起，构成不可压缩实际流体的运动微分方程式，即纳　维一斯托克斯方程（Ｎ—ｓ方程）：　一古　＋ｕ　：　箸　

一吉考　，＝　Ｏ％／）ｙ　雾＋　警　

一　老＋　＝　＋　７以ｘ＋　，　＋　警　式中　分别是Ｘ、Ｙ和ｚ方向的单位质量　力，Ｐ为流体动压强的算术平均值，即流体动压强，　为柿普抽斯笪子．或称标件微分簋子．￡为时闻　

ｐｒｅＰＤＦ　ＰＤＦ查表　

ＰＤＦ程序　３　ＣＦＤ方法求解流程　

Ｆｌｕｅｎｔ是一种适合于工程问题计算的计算流体　力学（ＣＦＤ）软件。对于所有的流动，Ｆｌｕｅｎｔ都是解　质量和动量守恒方程（Ｎ—ｓ方程）。对于包括热传　导或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程，数　值方法采用了有限体积法。　ＣＦＤ方法求解流体润滑问题的流程和用雷诺　方程求解流体润滑问题的流程基本相同。利用Ｆｌｕ—　ｅｎｔ软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图　２所示。首先利用ＧＭＢＩＴ进行流动区域几何形状　的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于Ｆｌｕ—　ｅｎｔ求解器计算的格式；然后利用Ｆｌｕｅｎｔ求解器对　流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。　

几何形状或网格　设置几何形状　厂一　圭　垒　里翌竺ｒ＿一　——　网格　ＦＬＵＥＮＴ　网格输入及调整　物理模型　边界务件　流体物性确定　计算　结果后处理　网格　边界　网格　其他软件包，如ＣＡＤ，　ＣＡＥ等　

图２基本求解过程示意图　

４　四腔动静压轴承的模拟　

本文采用四油腔动静压轴承为例，说明ＣＦＤ方　边界和（或）　体网格　

ＴＧｒｉｄ　２Ｄ三角网格　３Ｄ四面体网格　２Ｄ和３Ｄ混合网格　

法求解流体润滑问题的全过程。轴承具体结构和尺　寸如图３所示。　４．１建立物理模型　

轴承结构示意图　２００８　Ｎｏ４　彭志平：铜冶炼工程转炉系统安装与难点分析　５７　３．４　系统调试与试运行难度大　系统调试与试运行（试车）是工程施工的最后　一道工序，调试是对设备的各个性能和运行参数进　行确认，试运行是检查设备的性能是否满足设计要　求。由于转炉设备安装传动装置由日本引进，相关　技术资料都是英文，调试是根据英文资料进行检查　校核，给调试工作带了很多的困难，另外，转炉相关　的计控测点比较多，电气调试环节多，各种调试控制　参数都需要集中汇总到仪表控制室中的ＤＣＳ系统　中，所有的调试数据都要得到外方专家的认可。为　确保调试工作顺利进行，需要成立由施工单位、监理　单位、建设单位生产管理人员和外方专家、设备供应　单位等组成的试车专家小组，确认试车方案，抓好试　车种中的每一个环节，才能保证转炉试车成功进行。　

４结束语　

江铜年产３０万ｔ铜冶炼项目２００７年８月一次　性投料试生产，生产顺利平稳，转炉系统日处理冰铜　量１　１３５ｔ／ｄ，超过设计能力１ｌ　１７ｔ／ｄ，工程质量经江铜　质量监督站核定优良，被评为江铜２００８年度优质工　程，正在申报部优、国优工程。　参考文献：　［Ｉ］彭容秋．铜冶金．长沙：中南大学出版社，２００４．　［２Ｊ中国有色金属工业协会．有色金属工业建设工程机械设备安装　质量检验评定标准．北京．１９９５．　

Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｆｉｃｕｌｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｓｍｅｌｔｅｒ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ＰＥＮＧ　Ｚｈｉ——ｐｉｎｇ　（Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕｉｘｉ　３３５４２４，Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　３００，０００　ｔｏｎ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｏｆ　ＪＣＣ　Ｇｕｉｘｉ　Ｓｍｅｌｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ａ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔ．　Ｋ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｐｒｏｊｅｃｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｄｉｆｉｃｕｌｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

（上接第６６页）　

６结论　

（１）ＣＦＤ方法能很好的模拟轴承润滑问题，且　依托于成熟的ＣＦＤ软件，求解流程直观、有效。　（２）从模拟结果可以看出偏心率对滑动轴承流　场各位置油腔的受力和相关参数的影响都较大，但　由于篇幅限制，没有深入研究供油压力、转速等对轴　承性能的影响。　（３）本文论证了ＣＦＤ方法用于求解流图润滑　问题的可行性，这样就可用ＣＦＤ方法来研究忽略　项的作用，还可用来评价用雷诺方程或其它Ｎ—Ｓ　方程简化形式求解更复杂的摩擦润滑问题的可行　性。　参考文献：　［１］Ｒｏｙｎｏｌｄｓ　Ｏ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｍｒ　Ｂｅａｕｃｈａｍｐｓ　Ｔｏｗｅｒｓ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ａｎ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｄｅｔｅｒ－　ｒｕｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｏｌｉｖｅ　Ｏｉｌ［ｊ］．Ｐｈｉｌｏｓ　Ｔｍｎｓ　Ｒ　Ｓｃ￣Ｉ＿ｏｎ—　ｄｏｎ，１８８６。１７７：１５７—２３４．　［２］Ｐ　Ｙ　Ｐ　Ｃｈｅｎ，Ｅ　Ｊ　Ｈａｈｎ．Ｕｓｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｉｎ　Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］．ＰＩＤｃ　Ｉｎｓｔｎ　Ｍｅｃｈ　Ｅｎｇｒｓ，１９９８，２１２：　４２７—４３５．　［３］王霄，刘东雷，刘会霞，等．基于计算流体力学方法求解流体润滑　问题的研究［ｊ］．润滑与密封，２００６，８：１１—１４．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ＬＩＵ　Ｓｏｎｇ——ｐｉｎｇ　（ＪＣＣ　Ｇｕｉｘｉ　Ｓｍｅｌｔｅｒ，Ｇｕｉｘｉ　３３５４２４，Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｒｅｙｎｏｌｄ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｏｎｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　（ＣＦＤ）ａｐｐｒｏａｃｈ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ＣＦＤ　ａｐ—　ｐｒｏａｃｈ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｆｏｕｒ—ｗｅｄｇｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｂｅａｒｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｆｅａｓｉｂｉｈｔｙ　ｏｆ　ＣＦＤ　ａｐｐｒｏａｃｈ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｖａｌｕａｂｌｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒｅｙｎｏｌｄｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ；Ｎａｍｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｊｏｕｒｎａｌ　ｂｅａｒｉｎｇｓ