專利名稱：基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及一種靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系的數(shù)值模擬方法，屬于流 體力學(xué)模擬技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
靜壓推力軸承是重型裝備中關(guān)鍵的回轉(zhuǎn)部件，其性能優(yōu)劣直接影響設(shè)備的性能與 效率。在高速重載工況下，靜壓推力軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的溫度隨回轉(zhuǎn)速度升高而上升，潤(rùn)滑油的 粘溫特性決定了當(dāng)油溫上升時(shí)潤(rùn)滑油粘度和油膜承載力將逐漸下降，導(dǎo)致潤(rùn)滑失效，限制 了轉(zhuǎn)速的提高，使實(shí)際結(jié)構(gòu)偏離了理論設(shè)計(jì)模型。但是對(duì)靜壓推力軸承潤(rùn)滑性能的分析是 重型回轉(zhuǎn)部件制造領(lǐng)域內(nèi)比較困難的技術(shù)問題。原因在于，對(duì)靜壓推力軸承潤(rùn)滑性能起決 定作用的是軸承間隙處自然形成的油膜，這層油膜的厚度最低通常在50μπι左右；對(duì)于超 重型靜壓推力軸承，油膜厚度一般也不會(huì)超過300 μ m。通常獲得流體區(qū)域內(nèi)部壓力或者溫 度的方法是安裝傳感器，但即使是最微型的傳感器(流體專用，要求耐壓耐腐蝕)的尺寸也 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油膜的厚度，無法準(zhǔn)確直接地測(cè)量流體區(qū)域的各項(xiàng)參數(shù)。應(yīng)該注意的是，靜壓推力 軸承的配套設(shè)備上安裝有壓力表，但壓力表只能測(cè)出該處的管路總壓力，作用是為監(jiān)測(cè)管 路堵塞，減壓閥故障等造成管路壓力過高的故障；液壓站油箱安裝有插入式或接觸式溫度 計(jì)，但只能測(cè)出油箱平均溫度。所以壓力表和溫度計(jì)均無法獲得軸承內(nèi)部流體域的局部壓 力和局部溫度。因此，目前對(duì)靜壓推力軸承潤(rùn)滑性能分析主要是采用通用的計(jì)算流體動(dòng)力 學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法。另外，靜壓推力軸承的腔型一般分為矩形腔、扇形腔、圓形腔、 異型腔及油槽結(jié)構(gòu)，除油槽結(jié)構(gòu)外大多設(shè)計(jì)有回油槽，其中油槽結(jié)構(gòu)的分析方法與本方法 不同，不屬于本發(fā)明方法的適用范圍。現(xiàn)有靜壓推力軸承內(nèi)部流體數(shù)值模擬方法存在著許多缺陷1、在靜壓推力軸承間隙油膜的建模技術(shù)方面，現(xiàn)有技術(shù)是使用商業(yè)三維實(shí)體建模 軟件分別建立靜壓推力軸承固定體和轉(zhuǎn)動(dòng)體的模型，再進(jìn)行虛擬裝配，利用拓?fù)潢P(guān)系將靜 壓推力軸承間隙形成的油膜模型“抽取”出來，油膜模型的建模不能獨(dú)立進(jìn)行，需要依靠靜 壓推力軸承模型來生成。由于靜壓推力軸承的模型通常比較復(fù)雜，尤其是重型軸承，內(nèi)部更 是設(shè)計(jì)了非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以保證強(qiáng)度，所以導(dǎo)致建模周期很長(zhǎng)，對(duì)于熟練的設(shè)計(jì)人員也至 少需要1 4天(視模型復(fù)雜程度而定)；對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求較高，需要設(shè)計(jì)人員具備較高 的建模能力；建模過程需要輸入大量數(shù)據(jù)信息，易出現(xiàn)錯(cuò)誤。2、在靜壓推力軸承間隙油膜模型的前處理技術(shù)方面。油膜厚度較薄，與模型其余 尺寸的數(shù)量級(jí)相差很大，因此對(duì)其進(jìn)行前處理，尤其是劃分有限元網(wǎng)格比較困難。現(xiàn)有技術(shù) 是所有步驟均通過設(shè)計(jì)人員手工操作前處理軟件完成，包括定義油膜模型邊界條件，建立 輔助點(diǎn)和輔助線，對(duì)油膜模型劃分合理的有限元網(wǎng)格。整個(gè)前處理過程極為繁瑣，熟練的設(shè) 計(jì)人員至少也需要3 5天才能完成。對(duì)于精度要求不高的低成本重型裝備，甚至因?yàn)樵O(shè) 計(jì)周期過短，無法對(duì)軸承間隙油膜前處理以分析驗(yàn)證軸承的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。另外，目前在前處理過程中建立輔助點(diǎn)時(shí)，均采用指定位置坐標(biāo)或捕捉距離最近點(diǎn)等方法；建立 輔助線采用指定線起點(diǎn)和線長(zhǎng)度的方法，造成了后續(xù)的網(wǎng)格關(guān)聯(lián)定位不準(zhǔn)。3、在重型靜壓推力軸承實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度會(huì)逐漸上升并達(dá)到一個(gè)穩(wěn) 態(tài)值，潤(rùn)滑間隙中油膜的局部溫度高于整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)的平均溫度。潤(rùn)滑油的粘溫特性決定 了當(dāng)潤(rùn)滑油溫度上升時(shí)，尤其是潤(rùn)滑油膜的溫度上升時(shí)，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度下降。由流體潤(rùn) 滑承載能力方程可知，當(dāng)靜壓推力軸承所受載荷不變，進(jìn)油流量不變時(shí)，潤(rùn)滑油粘度的下降 直接引起油膜厚度的減小。而目前在對(duì)靜壓推力軸承內(nèi)部流體進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，將軸 承間隙流體的流動(dòng)狀態(tài)假設(shè)為穩(wěn)態(tài)三維定常流動(dòng)，對(duì)靜壓推力軸承的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度 場(chǎng)計(jì)算時(shí)，不考慮油膜厚度的變化，將其假設(shè)為恒值。這種假設(shè)偏離了實(shí)際工況，忽略了潤(rùn) 滑油粘度隨溫度的變化，產(chǎn)生了很大的誤差，使目前基于此假設(shè)的數(shù)值模擬結(jié)果均低于實(shí) 際情況，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。因此本發(fā)明也給出了臨界工況下潤(rùn)滑間隙油膜厚度可變 的數(shù)值模擬方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的靜壓推力軸承內(nèi)部流體數(shù)值模擬方法因沒有考慮油膜厚 度的變化，油膜溫度數(shù)值模擬結(jié)果低于實(shí)際情況，致使靜壓推力軸承服役的設(shè)備的安全性 被高估，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行的問題，進(jìn)而提供了一種臨界工況下的基于膜厚可變的靜 壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù)值模擬方法。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù)值模擬 方法的具體過程為步驟A、建立靜壓推力軸承間隙油膜母模型給出油膜厚度初值，利用 Unigraphics NX軟件建模功能建立靜壓推力軸承間隙油膜母模型；步驟B、前處理在ANSYS ICEM CFD軟件中對(duì)上述步驟A生成的靜壓推力軸承間 隙油膜母模型進(jìn)行前處理，將上述靜壓推力軸承間隙油膜母模型所構(gòu)筑的流體域網(wǎng)格化， 并指定流體域邊界條件；步驟C、CFX油膜流態(tài)數(shù)值模擬利用ANSYS CFX軟件對(duì)完成前處理的靜壓推力軸 承間隙油膜母模型(靜壓推力軸承內(nèi)部流體)進(jìn)行數(shù)值模擬步驟Cl、建立流體動(dòng)力粘度μ與潤(rùn)滑油溫度T之間的關(guān)系設(shè)定所述流體域的流 質(zhì)為粘度隨溫度可變的潤(rùn)滑油(即設(shè)定潤(rùn)滑油的粘溫特性)，基于潤(rùn)滑油手冊(cè)中粘溫參數(shù) 表的數(shù)據(jù)，利用冪函數(shù)關(guān)系式y(tǒng) = xb，求出式中a、b的值，得到用以表達(dá)流體動(dòng)力粘度μ與 油膜溫度T之間的關(guān)系的粘溫函數(shù)μ = aTb(1)式中μ為潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度(流體動(dòng)力粘度)，單位為Pa · s ;Τ為變量，表示潤(rùn)滑 油溫度(油膜溫度)，單位為K ；a為冪函數(shù)系數(shù)，b為冪函數(shù)指數(shù)；步驟C2、在ANSYS CFX環(huán)境導(dǎo)入上述式(1)，并輸入或選擇油膜入口溫度Tin初值、 油膜固定壁面溫度初值、油膜入口流量Q、出口壓力、旋轉(zhuǎn)壁面角速度、固定壁面邊界條件， 然后進(jìn)行模擬計(jì)算；步驟D、執(zhí)行步驟C后導(dǎo)出油膜旋轉(zhuǎn)壁面平均溫度T。ut及指定的油膜固定壁面溫度；步驟Ε、由油膜厚度h與潤(rùn)滑油溫度T的關(guān)系計(jì)算油膜厚度新值步驟E1、建立靜壓推力軸承供油流量的數(shù)學(xué)模型根據(jù)定量供油的靜壓推力軸承 的供油流量與油腔結(jié)構(gòu)、負(fù)載、封油邊結(jié)構(gòu)、油膜厚度、潤(rùn)滑油粘度的關(guān)系，得到定量供油的 靜壓推力軸承供油流量的數(shù)學(xué)模型為
權(quán)利要求
1. 一種基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù)值模擬方法，其特征 在于所述方法的具體過程為步驟A、建立靜壓推力軸承間隙油膜母模型給出油膜厚度初值，利用Unigraphics NX 軟件建模功能建立靜壓推力軸承間隙油膜母模型；步驟B、前處理在ANSYS ICEM CFD軟件中對(duì)上述步驟A生成的靜壓推力軸承間隙油 膜母模型進(jìn)行前處理，將上述靜壓推力軸承間隙油膜母模型所構(gòu)筑的流體域網(wǎng)格化，并指 定流體域邊界條件；步驟C、CFX油膜流態(tài)數(shù)值模擬利用ANSYS CFX軟件對(duì)完成前處理的靜壓推力軸承間 隙油膜母模型進(jìn)行數(shù)值模擬步驟Cl、建立流體動(dòng)力粘度μ與潤(rùn)滑油溫度T之間的關(guān)系設(shè)定所述流體域的流質(zhì)為 粘度隨溫度可變的潤(rùn)滑油，基于潤(rùn)滑油手冊(cè)中粘溫參數(shù)表的數(shù)據(jù)，利用冪函數(shù)關(guān)系式y(tǒng) = xb，求出式中a、b的值，得到用以表達(dá)流體動(dòng)力粘度μ與油膜溫度T之間的關(guān)系的粘溫函 數(shù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù) 值模擬方法，其特征在于在步驟A中，利用Unigraphics NX環(huán)境的建模功能建立靜壓推力 軸承間隙油膜母模型的具體過程為步驟Al、利用Unigraphics NX環(huán)境對(duì)靜壓推力軸承間隙中的油膜進(jìn)行逆向建模； 步驟A2、將逆向建模涉及到的尺寸全部參數(shù)化，并求出相應(yīng)的表達(dá)式； 步驟A3、建立油膜模型建模人機(jī)交互界面；步驟A4、建立兩個(gè)功能子模塊實(shí)時(shí)獲取模型參數(shù)并即時(shí)顯示子模塊、尺寸驅(qū)動(dòng)模型 更新子模塊；實(shí)時(shí)獲取模型參數(shù)并即時(shí)顯示子模塊用于獲取當(dāng)前油膜模型的尺寸參數(shù)表達(dá) 式的值，并將獲取的尺寸參數(shù)顯示在人機(jī)交互界面上；尺寸驅(qū)動(dòng)模型更新子模塊用于設(shè)計(jì) 人員更新合理尺寸參數(shù)后，根據(jù)新尺寸驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行更新；步驟A5、將上述程序打包建立油膜快速建模子系統(tǒng)，將所述油膜快速建模子系統(tǒng)植入 Unigraphics NX環(huán)境中，調(diào)用所述油膜快速建模子系統(tǒng)即可通過更新尺寸，實(shí)現(xiàn)靜壓推力 軸承間隙油膜的快速建模。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系 數(shù)值模擬方法，其特征在于在步驟B中，運(yùn)行ANSYS ICEM CFD軟件進(jìn)行前處理，具體步驟 如下步驟Bi、在ANSYS ICEM CFD軟件自動(dòng)導(dǎo)入在步驟一中建立的靜壓推力軸承間隙油膜母 模型；步驟B2、建立規(guī)范的輔助點(diǎn)和輔助線，使得所有的輔助點(diǎn)均附著在曲線或曲面上；輔 助線全部附著在曲面上；步驟B3、重建油膜模型上存在缺失的曲面油膜模型導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD環(huán)境中后， 油膜出口位置會(huì)存在曲面缺失或扭曲，需重建該處曲面；步驟B4、定義流體分析邊界條件建立ANSYS CFX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算所需的流體 域邊界條件，指定流體域出入口、旋轉(zhuǎn)壁面與固定壁面邊界條件的表面；步驟B5、規(guī)劃合理網(wǎng)格分塊及流體分析邊界層大?。灰?guī)劃合理的網(wǎng)格分塊，將所述網(wǎng) 格分塊的點(diǎn)和線對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)到油膜模型上的點(diǎn)和線上，依據(jù)流體域交界類型指定邊界層；步驟B6、指定各網(wǎng)格分塊的網(wǎng)格密度；指定各分塊區(qū)域的網(wǎng)格密度，對(duì)稱邊界區(qū)域指 定相同網(wǎng)格參數(shù)，流態(tài)變化復(fù)雜區(qū)域加密局部網(wǎng)格；步驟B7、生成流體力學(xué)軟件ANSYS CFX可讀的網(wǎng)格文件完成自動(dòng)前處理，生成自動(dòng)前 處理程序。
全文摘要
基于膜厚可變的靜壓推力軸承間隙油膜溫度與厚度關(guān)系數(shù)值模擬方法，屬于流體力學(xué)模擬技術(shù)領(lǐng)域，為了解決現(xiàn)有的靜壓推力軸承內(nèi)部流體數(shù)值模擬方法因沒有考慮油膜厚度的變化，導(dǎo)致油膜溫度數(shù)值模擬結(jié)果低于實(shí)際情況的問題。建立靜壓推力軸承間隙油膜母模型并前處理；油膜流態(tài)數(shù)值模擬；數(shù)值模擬后導(dǎo)出油膜旋轉(zhuǎn)壁面平均溫度及指定的油膜固定壁面溫度；由油膜厚度與潤(rùn)滑油溫度的關(guān)系計(jì)算獲得油膜厚度新值；判斷上述步驟得到的油膜厚度新值是否小于臨界油膜厚度；將新的油膜厚度作為油膜厚度初值返回然后再繼續(xù)執(zhí)行后面的步驟；如此循還迭代計(jì)算，直至得到的油膜厚度達(dá)到油膜厚度臨界值；得出油膜最終壓力場(chǎng)分布云圖和油膜最終溫度場(chǎng)分布云圖。本發(fā)明適于靜壓推力軸承間隙油膜的數(shù)值模擬。
文檔編號(hào)F16C32/06GK102141084SQ201110078810
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者于曉東, 劉嘉, 孫桂濤, 張艷芹, 徐曉秋, 李沖, 楊曉冬, 王云飛, 邵俊鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)