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1、不同因素对动压油膜轴承空化效应影响探讨摘要：以高偏心率动压油膜轴承为研究对象，基于质量守恒边界条件与EIrod算法建立了关于完整油膜和空化区域的统一润滑方程。通过研究ZWarbGerber-BHamri(ZGB)空化模型、SChnerYauer(SS)空化模型和无空化模型对仿真结果的影响，明确了在流体仿真中考虑空化模型的必要性，并在ZGB空化模型下探究了不同因素对油膜轴承空化效应及压力峰值的影响，结果表明：空化面积随转速增大而增大，随供油压力增大而减小，随油液黏度增大而增大；正压力峰值随转速增大而增大，随供油压力增大而增大，随油液黏度增大而增大，负压力的峰值波动较小；此外，表面织构可以有效减小
2、空化面积，增强正压力峰值，但对负压力峰值的影响相对较小。关键词：滑动轴承；油膜轴承；润滑；空化；压力峰值；表面织构；偏心率滑动油膜轴承凭借其低摩擦、高负载等特点，应用越来越广泛1。滑动轴承的油膜可分为收敛区和发散区，前者形成正压力区域，后者形成负压力区域。油膜的破裂标志着其承载能力的极限，破裂通常发生在油膜最大正压力位置和最小负压力位置2。空化效应是指油膜受到负压而破裂的现象，也称为气穴现象。空化效应会降低油膜轴承的承载能力。气泡的存在会影响油膜的质量和稳定性，气泡破裂时将产生局部高温和高压，破坏油膜，导致轴承的摩擦损失增大，从而降低轴承的承载能力。轴承承载能力下降后，会出现局部挤压和金属间接
3、触，这将进一步加速轴承的磨损和失效。研究者们对如何减少油膜轴承中的空化效应开展了广泛的研究。文献研究了空穴对端泄量、油膜力矩和油膜承载力的影响。文献通过CFD技术对滑动轴承进行三维热力学分析，并引入三维空化模型分析空化效应，成功预测了空化区的温度；低速重载工况下，油膜厚度通常只有十几微米甚至几微米，却要承受几千万牛顿的载荷5。文献提出了一种基于薄膜传感器技术的测量方法，可测量滑动轴承的压力分布和油膜力。文献分析了不同负载条件下油膜压力产生空化效应的原因。文献通过Fluent对动静压轴承油膜压力进行研究，分析了不同转速和偏心率下轴承油膜的三维压力和静压力特性，发现相同转速下偏心率的增大会导致油膜
4、压力峰值增大。文献研究了动静压差速转台的油膜负压，通过在静压腔封油边建立流量补偿孔或在动压进油槽加进油孔的措施增加供油，减小负压。文献10基于FlUent进行了多油腔静压轴承的压力仿真研究，得出了供油压力、转速和进油口直径这3个油膜压力的影响因素，并对负压现象进行了分析。文献11发现不同工况下空化压力的值存在差异，从而提出了一种空化机制。文献12对油膜破裂边界进行研究，提出了一种替代其他空化模型的方法。文献13考虑了空化效应对CFD流固耦合轴承的影响，研究转速、偏心率等因素对空化效应的影响，以及空化对油膜压力的影响；油膜轴承运转过程中形成的极薄油膜能够承受并动态调节轧辑上的轧制载荷14。文献1
5、5研究了不同负载和恒速条件下的油膜压力等参数，得到了油膜在周向的压力分布。文献16基于流固耦合法对具有表面织构的滑动轴承进行了瞬态研究，分析了表面织构位置对滑动轴承性能的影响。上述文献主要针对低偏心率下的油膜轴承，而且未对空化效应的产生进行更细致的分析。在此基础上,本文对高偏心率动压油膜轴承展开研究,通过设定合理的空化压力起始值和润滑油饱和气压值，探究不同因素(转速、供油压力、油液黏度、表面织构)对空化效应位置以及压力峰值的影响。1物理模型与空化方程1.1 油膜轴承模型建立偏心率为0.9的油膜轴承模型进行仿真研究，如图1所示：采用上方进油的单进油口动压油膜轴承,进油口的孔直径d=7mm,轴颈直
6、径D=219.6mm,衬套内径Dl=220.2mm,轴颈宽度B=160mm;O为衬套的轴心线，。1为轴颈轴心线，e为衬套与轴颈的轴心偏心距。图1动压油膜轴承模型Fig.IModelofhydrodynamicoiIfiImbeanng1.2 不可压缩空化方程Elrod算法17将油液看作可压缩液体，但油液在一定压力下是不可压缩的，故提出不可压缩空化方程。油膜压力在完整油膜区域内不断变化，但油液密度为定值。假定油膜为不可压缩、层流、等温、无重力且具有恒定黏度的牛顿流体，完整润滑油膜的雷诺18方程为-M-).4止却生I生1.生.式中：h为油膜厚度；P为油膜压力；为润滑油动力黏度；V为轴承运动的线速度
7、；X为周向坐标；t为油膜厚度变化的时间；Z为轴向坐标。根据质点运动方程、连续方程、牛顿黏性定律和N-S方程，并假设空化区的压力为常数，推导出空化区的雷诺15方程为为方便计算，引入变量A和开关变量g,将油膜区域分为完整油膜区与空化区，即，=，-八0，wII;4O式中：P为润滑油密度；Pe为润滑油空化区的当量密度；变量A在完整油膜区为量纲一化的压力p一,在空化区为Pe与P之比减1。结合以上方程得到考虑空化区域的统一润滑方程，即船警即警卜6：同(,)疝同”)砚()式中：1.为轴承长度；C为半径间隙；R为轴承半径；3为轴颈角速度。2有限元模型建立与仿真条件设置2.1 网格划分将油膜轴承模型导入Work
8、benCh中，采用ICEM模块进行网格划分。高偏心率导致整个油膜不同位置的尺寸相差很大，最薄处小于0lmm,网格划分较为困难。故先将整个模型分为进油口区和油膜主体区分别进行网格划分，再按油膜薄厚程度对油膜主体区切分后进行网格划分19,以得到精度更高的仿真结果。通过此划分方法导入符合FIUent条件的网格，油膜网格如图2所示：正交质量在0.7以上，数值0.7的网格占总网格的0.07%,数值1的网格占总网格的92%；单元质量0.71以上，数值0.71的网格占总网格的0.008%,数值1的网格占总网格的63%；纵横比为1：1.67,数值1的网格占总网格的67%,数值167的网格占总网格的2%；平均扭
9、曲度均为05；网格数量约170000；节点数量约230000。O图2油膜网格Fig1ZGridofoiIfiIm2.2 仿真条件设置对油膜进行仿真求解前，引入Mixture模型中不同的空化模型对油液和空气两相进行研究，饱和气压设为30kPall.在进油口与出油口设置压力条件，其他均设为壁面，如图3所示。油膜内表面转速为100lymirb壁面固定，进油口的压力为0.1MPa,两侧出油口的压力均0,油液密度为833kgm3,黏度为383.18g(ms),求解器为SMP1.EC,空间离散动液采用thirdordermusde,油液流动设为层流(油液在内部流动时，雷诺数Re时.Rr匕即KIrMf八R=
10、GW-3Pl(/一加(4)当P时,式中，Ce.CC分别为相变率系数，Ce=0.02,CC=O.01;VC为局部特征速度;StC为饱和液体的表面张力系数;PSat为液体的饱和蒸汽压;P为局部实际压强;其它符号同前。3计算域的控制单元和网格划分轴承和润滑油的相关参数见表1.用有限体积法对油膜的流场进行计算时，其控制体和网格的关系如图2所示。其中黑粗线为计算域中的WalI,而黑细线为计算网格，对应的红点即为网格节点，青色虚线为控制体的边界。由此可知网格节点在控制体的正中央。表1轴承和润滑油的相关参数Tab.1Correlationparameterofbearingandoil轴承直径宽径比偏心率相
11、对间平均温润滑油几何包D/mmB/D隙%c度/工粘度容角()2200.750.80.6500.4120网格质量对数值模拟的计算精度和收敛速度有很大影响，甚至起到决定性的作用。本次计算中油膜厚度为1040m,而宽度为165mm,直径为220mm,数量级相差过大。因此,为保证计算精度和收敛速度，针对油膜的特殊性，采用ICEM中的结构化网格生成技术对油膜进行分块网格划分，这样能够较好地控制包括边界层在内的网格生成质量，最终的网格模型如图3所示。图2网格埼点勺控制体关系图图3IcEM中油腴的网楙模Fi%2ThMWhrrnaofntmlaJumeamimrs*hnmir*年3MmIb11mmIcIofo
12、ilfilminICEM4油膜空化现象的仿真计算与结果分析本次研究对象是低速重载轴承，所以假设油膜的润滑状态为层流，并且油膜是在稳态下工作，温升小可以认为润滑油的粘度不变且为不可压缩的流体。两相流模型采用MXITURE模型，适用于气相体积率很低的空穴流;压力一速度耦合采用SMIP1.E算法;压力的离散采用PRESTO格式。4.1 油膜压力的计算分析计算域的边界状态采用雷诺边界条件，设定进油口压力为008MN,轴颈转速200rmin,平均油温50,油膜压力的计算结果如图4所示。由图可以看出，油膜承载区最高压力为5.22MN,而发散区最高负压高达5MN。润滑油在这么高负压下连续性必然遭到破坏，所以
13、后期要引入空穴模型进行计算分析。4.2 基于两相流的空化仿真计算分析由仿真结果可知，从收敛区到发散区油膜压力骤降，必然导致空化现象的发生。启动CavitationModeI,进行两相流计算。因引入空穴模型，部分润滑油固有物性成为影响空穴形成的参数，其它条件同前。从图5的收敛曲线可以看出，各参数的收敛性都比较理想，其中“5vf为空穴体积分数的收敛曲线。膜空穴区气相体积分数分布如图6所示。图5主嘤参数收敛曲线Fig.5Tlwnvrrgrnlun11aiNnrcl图6空穴体枳分数分布图Fig.6(Ionlouryof-avilulinvolunit,fraatHw图6中舌状云图即为油膜存在空穴（空泡
14、）的区域，从左边对应的数据可以看出，空穴以不同的体积分数分布在这片区域。在体积分数较小的初始端，空穴初生，随后发育成长，体积分数逐步增大。在实际中，空穴区内这些微小的空穴，不可能这么均匀的分布在发散区内，必然有一部分会随着轴颈的转动在分布着较大空穴区域的某处结合在一起,形成大的肉眼可见的空化区，油膜在此处自然破裂。还有一部分随着轴颈转动被带入承载区，随着压力增大,空穴破裂再次以微气核形式融入润滑油中。其余部分由出油口流出，其中较小的空穴在大气压作用下再次溶解在润滑油中，而较大的空穴由回油管道流出。4.3 空穴区迁移现象的分析图7为不同转速下油膜的气相体积分数分布图。,to图7不H转速卜油的气加
15、体现分散分如图FiiC7，:SnUIUrWOfMvrtalMnvJurn*（r*rtionlhrlflrtrnlv4nrit*基于前面的计算流程和假设条件，下面分别研究转速:Nl=I20rmirN2=160rmin.N3=200r/minN4=240rmin时空化区的气相体积分数分布。从图7可以看出，转速对空化区的面积大小及位置迁移有明显的影响。随着转速的增高，空穴区面积增大，并且分布着较大空穴的区域逐步远离承载区，也就是说油膜自然破裂的位置在远离承载区，这样保证了承载区油膜的连续性。但是，必须注意到，转速增加会使油膜的温升增高，粘度降低，对润滑油膜产生不利影响。5结论(1)对空化现象仿真计算
16、必须建立在雷诺边界条件基础之上，因为空穴只分布在发散区的部分区域，其它部分仍保持着完整的油膜。而SOmmerfeld和半SommerfeId边界条件都认为只有收敛区内存在完整油膜。(2)空化现象形成的主要原因是油膜的局部绝对压强低于润滑油的饱和蒸汽压。此外，润滑油的气核含量、流粘性、表面张力以及边壁表面条件等会对空穴的形成产生一定影响。(3)转速对空穴区的迁移有较为明显的影响，在一定范围内有利于保证承载区油膜的连续性。【参考文献】1刘亮，陈黄骞，吕伟.水力空化技术及其对压载水的预处理J船舶，2011,22(4):38-44.2边金尧，徐松林，白文平.回转体空化研究现状及展望J.舰船电子工程，2
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