王保民，靳炳竹，黃金鑫

(蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

軸承內(nèi)部良好的潤滑狀態(tài)是抑制其摩擦溫升、改善滾動軸承服役性能的關(guān)鍵。隨著軸承極限轉(zhuǎn)速的不斷升高，軸承腔內(nèi)氣相流動劇烈，壓差增大，使得潤滑介質(zhì)難以有效進入[1]，從而導(dǎo)致軸承接觸區(qū)潤滑不良及摩擦溫升，甚至誘發(fā)軸承失效等。因此，軸承腔內(nèi)油氣兩相分布對軸承壽命、熱特性有重要的影響[2]。

國內(nèi)外學(xué)者在軸承油氣潤滑方面已開展了大量而系統(tǒng)的研究工作。翟強等[3]以角接觸球軸承為研究對象，分析軸承在不同轉(zhuǎn)速與保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)下的內(nèi)部兩相流動，為優(yōu)化保持架結(jié)構(gòu)、提升潤滑冷卻性能提供了理論依據(jù)。GLAHN A和WITTING S[4-5]研究了重力以及熱量傳遞過程對軸承腔內(nèi)油膜運動特性的影響；OH I S等[6]對軸承腔內(nèi)氣流流型作了分析；楊陽等[7]以角接觸球軸承7014C為研究對象，綜合考慮轉(zhuǎn)速及潤滑的影響，進行穩(wěn)態(tài)熱分析;并通過試驗驗證了模型的可靠性；陳國定等[8]使用解析法研究了不同流型下潤滑劑壓力與速度的差異性及分布特點，同時研究了轉(zhuǎn)速、供油量和進氣量等工況條件對壓力和速度的影響；COE H H等[9]發(fā)現(xiàn)軸承腔內(nèi)油液體積分?jǐn)?shù)在2%～3%時，軸承溫升的計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近；李斌等[10]以航空發(fā)動機軸承為研究對象，利用 FLUENT 軟件對軸承腔內(nèi)油氣兩相流的流動及換熱過程進行了數(shù)值模擬；HU Jibin等[11]通過FLUENT 仿真分析油氣兩相流在滾動軸承中的的擴散規(guī)律。王亞泰等[12]分析了不同引導(dǎo)方式下角接觸球軸承腔內(nèi)的氣相流動。劉紅彬等[13]分析了軸承轉(zhuǎn)速和潤滑油進口流量等參數(shù)對油液體積分?jǐn)?shù)的影響以及軸承腔內(nèi)潤滑油的流動軌跡和潤滑油進入腔內(nèi)的影響機制。

目前對于角接觸球軸承的研究主要集中在對軸承腔內(nèi)的油氣兩相流，對保持架引導(dǎo)方式對氣液兩相流影響的研究較少。鑒于此，本文以7005C高速角接觸球軸承為研究對象，運用FLUENT流體仿真軟件，建立了軸承流體域模型，應(yīng)用RNGk-ε湍流模型、VOF(volume of fluid)模型以及滑移網(wǎng)格模型，分析了軸承腔內(nèi)的流型分布，進而揭示了保持架引導(dǎo)方式對軸承腔內(nèi)的流型影響。

1 引導(dǎo)方式與數(shù)值計算模型

1.1 保持架引導(dǎo)方式

保持架是滾動軸承的重要組成部分，其作用主要體現(xiàn)在兩個方面: 一方面使?jié)L動體相互之間保持合適距離，防止相鄰滾動體之間直接接觸,以將摩擦和因此而產(chǎn)生的熱量保持在最低水平;另一方面使?jié)L動體均勻地分布在整個軸承內(nèi)，使負(fù)荷能更均勻地分布和降低噪聲。滾動軸承保持架從引導(dǎo)方式上可分為3種: 球引導(dǎo)、內(nèi)圈引導(dǎo)和外圈引導(dǎo)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。外圈引導(dǎo)是指保持架依靠外圈擋邊引導(dǎo)其正常運轉(zhuǎn)；球引導(dǎo)是指保持架依靠其兜孔與滾動體之間的間隙實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)；內(nèi)圈引導(dǎo)是指保持架依靠內(nèi)圈擋邊來引導(dǎo)其正常運轉(zhuǎn)。引導(dǎo)的目的是使保持架在周向和徑向方向有所“依靠”，使在這些方向上的運動趨穩(wěn)，不產(chǎn)生渦動。

圖1 保持架引導(dǎo)方式

1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以7005C角接觸球軸承為研究對象，采用計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值計算方法對軸承腔油氣潤滑兩相流場進行數(shù)值模擬。軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，運用ICEM-CFD對軸承腔流體域進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量2 271 264，節(jié)點數(shù)量1 886 669，網(wǎng)格綜合質(zhì)量>0.61，明顯高于最低網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格模型如圖2所示。

表1 7005C軸承參數(shù)

圖2 7005C角接觸球軸承網(wǎng)格模型

1.3 控制方程與邊界條件的設(shè)定

角接觸球軸承的運動形式復(fù)雜，內(nèi)圈、保持架和滾動體以各自的速度公轉(zhuǎn)，同時鋼球還做自轉(zhuǎn)運動。為了準(zhǔn)確地模擬其運動形式，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系描述其運動形式。

軸承腔體高速旋轉(zhuǎn)，相對于慣性坐標(biāo)系以ω的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，其內(nèi)部一點的運動狀態(tài)為：

V=Vr+Ur

(1)

Ur=Vt+ω×r

(2)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)流體的質(zhì)量、動量及能量守恒方程分別修正為：

(3)

(4)

(5)

基于對軸承實際工作狀態(tài)的分析，軸承外圈設(shè)置為外靜止壁面；鋼球、內(nèi)圈、保持架設(shè)置為運動壁面，其各自速度以及鋼球自旋速度由式(6)-式(8)確定?？諝馊肟谠O(shè)為壓力入口，其值為0.25MPa；潤滑油入口為速度入口；油氣出口為壓力出口，其值為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。采用RNGk-ε湍流模型，壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。由于軸承腔內(nèi)氣流馬赫數(shù)很低，所以氣體設(shè)為不可壓縮相，油氣參數(shù)如表2所示。應(yīng)用基于壓力基的SIMPIE算法進行求解。設(shè)定并監(jiān)測進出口質(zhì)量流量、速度與能量，每次迭代中定義相函數(shù)和速度分量的殘差收斂閾值為10-3，湍動能和耗散率的殘差收斂閾值為10-3，能量的殘差收斂閾值為10-6。

nc=ni(1-γ)/2

(6)

nω=dmni(1-γ2)/2D

(7)

γ=Dcosα/dm

(8)

表2 油氣參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承腔內(nèi)油氣兩相流流型分析

7005C角接觸球軸承有12個滾珠，均勻分布在軸承腔內(nèi)，每個滾珠之間間隔30°，其在流體域中的分布以及出入口位置如圖3所示。

圖3 滾珠在流體域中的分布以及出入口位置

軸承轉(zhuǎn)速為8 000r/min，保持架采用球引導(dǎo)方式時，軸承腔內(nèi)油氣兩相流動速度分布(xOy截面)如圖4所示(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問請咨詢作者)。在軸承腔油氣入口側(cè)，保持架與軸承內(nèi)外圈之間油氣兩相流形成了渦旋，并且保持架與外圈之間的渦旋更接近滾珠表面。沿軸承旋轉(zhuǎn)方向，從A位置到L位置，保持架與外圈間的渦旋在A處離滾珠的距離最遠(yuǎn)且渦旋的半徑最小。這是因為滾珠旋轉(zhuǎn)增強了油氣兩相的湍動與擾動，并帶動渦旋靠近滾珠表面。保持架與內(nèi)圈間的渦旋，從A位置到L位置，只在F與H處形成較完整的渦旋，其他位置均未形成完整的渦旋。這是因為F和H處壓力低于相鄰位置處壓力，形成擾動。在軸承腔油氣出口側(cè)，沿軸承旋轉(zhuǎn)方向，從A位置到L位置，在保持架與外圈之間均形成渦旋，受離心力和壓差的影響G處渦旋最靠近滾珠表面；在保持架與內(nèi)圈之間，只有E和K處形成完整的渦旋，其他位置均未形成完整的渦旋。

圖4 8 000r/min球引導(dǎo)腔圓周速度分布

2.2 保持架引導(dǎo)方式對軸承腔內(nèi)流型分析

軸承轉(zhuǎn)速為8 000r/min，保持架球引導(dǎo)和內(nèi)、外圈引導(dǎo)方式下，軸承腔出入口速度流線分布(xOy截面)如圖5-圖7所示。保持架球引導(dǎo)方式下，從A位置與G位置可以看出，出入口端面，保持架與外圈之間均形成渦旋，但G處的動壓更大，所以渦旋比A處更靠近滾珠表面。出口端面，保持架與內(nèi)圈之間，因為動壓作用使得油氣與保持架發(fā)生碰撞均未形成完整的渦旋。入口端面，保持架與內(nèi)圈之間，在A處未形成完整渦旋，在G處形成一個微小渦旋。

與球引導(dǎo)相比，保持架外圈引導(dǎo)方式下保持架與內(nèi)圈之間在出入口端面各形成一個渦旋。出口端面的渦旋受到壓力的作用，使得油氣兩相形成的渦旋向出口處有一定的偏移。出入口端面，在保持架與外圈之間均未形成渦旋。內(nèi)圈引導(dǎo)時，保持架與內(nèi)圈之間間隙很小，A位置和G位置處，保持架與內(nèi)圈之間出入口端面未形成渦旋，保持架與外圈之間有渦旋產(chǎn)生。相比于球引導(dǎo)時，在A位置和G位置兩處出入口端面的渦旋遠(yuǎn)離滾珠表面。

圖5 8 000r/min球引導(dǎo)軸承腔出入口速度分布

圖6 8 000r/min外圈引導(dǎo)軸承腔出入口速度分布

圖7 8 000r/min內(nèi)圈引導(dǎo)軸承腔出入口速度分布

2.3 不同轉(zhuǎn)速下保持架引導(dǎo)方式對流型的影響

軸承轉(zhuǎn)速不同時軸承腔內(nèi)速度流線分布(xOy截面)如圖8所示。內(nèi)圈引導(dǎo)時，在轉(zhuǎn)速逐漸升高的過程中，先在油氣入口端面產(chǎn)生渦旋，出口端面出現(xiàn)形成渦旋的趨勢，轉(zhuǎn)速達到8 000r/min時，出入口端面均出現(xiàn)渦旋，轉(zhuǎn)速逐漸升高時，出入口端面處渦旋中心基本一致，油氣兩相流動運動更加劇烈，產(chǎn)生新的油氣漩渦，形成氣障。

與內(nèi)圈引導(dǎo)相比，外圈引導(dǎo)保持架時，保持架與內(nèi)圈的流體域面積增大，其渦旋程度有所增強。在高轉(zhuǎn)速時相比于內(nèi)圈引導(dǎo)，增加了油氣潤滑單元的配置難度，使?jié)櫥瓦M入接觸區(qū)域的難度有所增加，與文獻[12]的研究結(jié)論一致。

球引導(dǎo)保持架時，保持架與內(nèi)、外圈兩側(cè)的空間相對較大，所以在保持架上、下兩側(cè)區(qū)域均有渦旋產(chǎn)生。隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸承腔內(nèi)氣流運動加劇，內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣相剪切力增大，保持架與內(nèi)圈之間潤滑油渦旋強度逐漸增加。相比于內(nèi)外圈保持架引導(dǎo)方式，球引導(dǎo)時軸承腔內(nèi)渦旋比較集中，細(xì)微的油氣流動較為減弱。

圖8 不同轉(zhuǎn)速軸承腔速度流線圖

3 結(jié)語

本文建立了油氣兩相流三維瞬態(tài)仿真模型，分析了在保持架不同引導(dǎo)方式下角接觸球軸承腔內(nèi)油氣兩相流型以及受轉(zhuǎn)速影響的變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：

1)球引導(dǎo)方式下，出入口端面保持架與內(nèi)、外圈之間都產(chǎn)生渦旋，保持架與外圈的渦旋比保持架與內(nèi)圈處渦旋更靠近滾珠表面。在保持架與內(nèi)圈之間，入口端面在F位置與H位置處形成完整的渦旋，出口端面在E位置和K位置處形成完整渦旋，其他位置均未形成完整渦旋。

2)三種引導(dǎo)方式下在出口端面，相比于球引導(dǎo)，內(nèi)、外圈引導(dǎo)時分別在保持架與內(nèi)圈和保持架與外圈區(qū)域內(nèi)一直存在渦旋，其中在A位置與G位置處渦旋強度較弱，且外圈引導(dǎo)時在保持架與外圈，內(nèi)圈引導(dǎo)時在保持架與內(nèi)圈之間均未形成渦旋。

3)保持架不同引導(dǎo)方式下，隨著轉(zhuǎn)速的升高都會出現(xiàn)漩渦，且在軸承腔內(nèi)相對空間較大的區(qū)域更容易出現(xiàn)大范圍的渦旋。三種引導(dǎo)方式中，在入口端面隨著轉(zhuǎn)速的升高主體渦旋的中心不變；漩渦強度增加，容易出現(xiàn)微小的渦旋，形成新的氣障。