窥探—基于Fluent的动压滑动轴承油膜特性的模拟仿真(一)

0. 引言

Fluent作为流场仿真和分析的工具，可以相对准确地给出动压轴承油膜流动的相关特性，如速度场、压力场、温度场分布的时变特性，可以准确预测流体在轴承中的流动状态和油膜的整体性能，很容易从对流场的分析中发现轴承或工程设计中的问题。产品或工程设计与优化对试验和经验的依赖性将大为减少，能够显著缩短设计周期，降低研发费用。

1. 油膜尺寸的确定

环宇公司DQ11-100型滑动轴承主要为泰豪沈电、赛力盟以及南阳防爆等公司的电机产品作配套。作者以该型号轴承为分析对象，首先需计算确定轴承油膜尺寸及其相关参数。

初定电机转速n=3000r/min；轴瓦内孔直径D=100mm。

依照生产经验及相关公式，轴-轴瓦间间隙h=0.2013mm。

取定偏心率ε=0.6，据滑动轴承流体动压润滑理论，解得油膜偏位角θ=49.95°。

润滑油密度取875Kg/m3，同时据经验公式，润滑油动力粘度η=0.0185Pa·s。

2. Fluent计算模型及网格划分

据上相关尺寸参数，轴承采用两端进油，忽略相关油槽及孔，于Proe中绘制滑动轴承油膜计算模型，如图1所示。

图1 滑动轴承油膜三维模型

而后进行网格划分，为保证精度及后续求解计算的收敛，本例采用结构化网格，并适当增加网格密度，划分网格数为268077，如图2所示。

图2 轴承油膜网格模型

3. Fluent模拟仿真

转入Fluent Solution模式。

首先，检查网格质量，设定润滑油材料。

而后，设定Viscous Model，选用层流Laminar模型，多相流模型使用混合模型Mixture，相数为两相，并启用空穴模型，当油膜压力低于某个值时，将析出空气。

再后，设定进出口边界条件，进口压力这里设定的是2000Pa，出口压力默认，设定主轴转速3000r/min，转速定义到油膜的壁面上，为方便收敛和计算，适当修改松弛因子和收敛精度等参数，给定一个空气的初始体积分数。

最后初始化求解模型，设定求解步数为500，运行计算。

由残差曲线图，如图3，约170次迭代计算后，趋于收敛，表明网格模型质量较好，求解设置相关参数准确。

图3 残差曲线图

计算完成。输出计算结果，油膜压力场分布云图如图4-1所示，润滑油油膜密度场分布如图4-2所示，速度场分布如图4-3所示。

1) 压力场分布

2) 油膜密度分布

3) 速度场分布

图4 转速3000r/min计算结果

可见，油液从两进油孔流入，从轴瓦两端流出。油膜分布在最小油膜厚度附近呈现非常明显的压力集中区，顺着转轴旋转方向，压力从进油口逐渐增大达到正压峰值后减小，通过最小油膜厚度处后进入发散区，在油膜上半部分呈现负压区，这和理论研究的气穴效应非常一致。由于发散区负压的存在，引起了气穴现象，油膜在负压区迅速破裂从而进一步影响了油膜的压力分布。

设定转轴转速n=1500r/min和n=6000r/min，得到对应转速下的压力场分布如图5，图6所示。

图5 转速1500r/min油膜压力场分布

图6 转速3000r/min油膜压力场分布

据图4-1、图5、图6，得压力极值如表1。转速越大，油膜压力极值越大。

表1 诸转速压力极值

4. 结论

建立了基于Fluent的滑动轴承油膜计算分析模型，引入空穴效应，较为准确地反映滑动轴承轴承油膜稳态特性。顺便指出，介于篇幅有限，引入温粘效应的轴承油膜温度求解思路及仿真结果将于后期呈现。