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劉國勇¹　孫長(cháng)福¹　張瑩娜²　蔡阿云³　宋鳴¹　朱冬梅¹

(1.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院；2.中國石油工程建設有限公司；3.北京首鋼冷軋薄板有限公司)

摘　要：基于CFD數值方法多相流k-ε模型，利用FLUENT軟件對某鋼廠(chǎng)軋機軸承新型防水密封結構的性能進(jìn)行數值模擬，分析其失效原因，研究防水密封氈圈磨損量、轉速、防水節流間隙對防水效果的影響。結果表明，減少防水密封氈圈磨損量、增大轉速和減小節流間隙，可提升新型防水密封結構的防水效果。為改善新型防水密封結構的防水性能，提出在間隙出口增設密封圈和將甩水出口改造為槽狀結構的方案。結果表明:在間隙出口處增設密封圈可以起到一定的防水作用，但是效果不明顯;而將甩水出口改造為槽狀結構時(shí)，相同條件下間隙出口排水量減少，防水效果有較大改善。

關(guān)鍵詞：軋機軸承；泄漏量；密封結構；防水密封

目前在大型鋼廠(chǎng)中，因軋機軸承的潤滑與密封失效而造成的經(jīng)濟損失是巨大的。解決好軋機軸承的潤滑、密封問(wèn)題，對于我國軋鋼產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效 益的提高具有舉足輕重的作用。國外以RHODE為代表的Texas A＆M University的研究人員運用有限差分法對迷宮密封做了大量而全面的工作，包括各種結構參數對密封性能的影響、上下游計算邊界條件的處理等[1-2] 。DIETZED和NOＲDMAN[3]首先提出二維CFD攝動(dòng)模型，用有限差分法求解不可壓縮流體的N-S方程，得到了環(huán)狀密封的動(dòng)特性系數。WASCHKA等[4]研究了高轉速對迷宮密封泄漏特性的影響規律。HODKINSON[5]應用流體力學(xué)替代熱力學(xué)來(lái)考慮流體動(dòng)能的直通效應，并把出口按噴嘴來(lái)處理，估算了迷宮密封的泄漏量。EI-GAMAL和AWAD等通過(guò)改變迷宮的幾何尺寸，研究迷宮密封的性能。上述研究用不可壓縮流體作為介質(zhì)，通過(guò)研究轉軸在靜止和旋轉情況下的泄漏情況，發(fā)現在轉軸靜止和旋轉情況下的密封性能并不一樣。此外，研究還發(fā)現當空腔的深寬比增大時(shí)，泄漏量開(kāi)始降低，達到一定數值的時(shí)候又趨于穩定，當空腔的深寬比繼續增加，泄漏量又會(huì )開(kāi)始增加[6] 。

國內，劉有軍和楊曉翔[7]對單腔室的迷宮密封進(jìn)行了數值分析，采用有限元法將單個(gè)腔室的研究結果推廣到整個(gè)腔室，得到了整個(gè)迷宮腔室的流動(dòng)特性。巴鵬等人[8]運用GAMBIT軟件建立迷宮通道的二維非結構化網(wǎng)格模型，利用FLUENT模擬迷宮密封的內部流動(dòng)，分析空腔深度、間隙寬度、節流片的傾斜角對迷宮密封性能的影響，得到較為優(yōu)化的迷宮密封結構。朱高濤和劉衛華[9]對現有的幾種迷宮密封泄漏量計算方法的理論推導原理、公式特點(diǎn)、使用方法與適用范圍等進(jìn)行了分析，并提出了一種簡(jiǎn)化分析的迭代計算方法。葉建槐和劉占生[10]應用FLUENT軟件，采用Simple算法和SST k-ω湍流模型，通過(guò)求解Navier-Stokes方程和能量方程來(lái)模擬迷宮密封腔內部流場(chǎng)和泄漏特性并與實(shí)驗結果做了對比，誤差為4%。李忠剛和陳予恕[11]應用FLUENT軟件采用標準k-ε湍流模型，求解迷宮密封三維流場(chǎng)，研究了渦動(dòng)轉子在不同壓比和偏心位移下密封腔室內的流場(chǎng)特性。潘永密等[12-13]設計了迷宮密封的動(dòng)特性測量實(shí)驗臺，測量了迷宮密封的壓力沿軸向的分布和腔室內沿周向的分布，比較了不同進(jìn)氣壓力、入口預旋等因 素對迷宮密封動(dòng)特性的影響。

雖然國內外學(xué)者對軸承密封做了大量研究，但都是針對單純的環(huán)形密封或迷宮密封，而對于像某鋼廠(chǎng)軋機中間輥四列圓錐滾子軸承采用的一個(gè)帶有防水密封氈圈的環(huán)形密封和一個(gè)空腔的迷宮組合新型防水密封的研究尚未見(jiàn)報道。本文擬對該組合防水新結構進(jìn)行研究，以流體力學(xué)CFD來(lái)研究新型密封結構中防水密封氈圈磨損量、節流間隙寬度、內圈轉速對防水密封效果的影響，并探討間隙出口增設密封圈、改變甩水出口結構對防水效果的影響，為軋機軸承的密封結構設計提供參考。 

1   密封結構仿真模型的建立 

1.1 計算模型

針對軋機軸承外部水易進(jìn)入軸承，引起軸承潤滑失效的問(wèn)題，某鋼廠(chǎng)對傳統防水結構進(jìn)行了改造，使用了如圖1所示的新型防水結構。該防水結構是通過(guò)一個(gè)防水密封氈圈與具有一個(gè)空腔的迷宮來(lái)實(shí)現的。該結構設計了3個(gè)排水口(回流出口C1，甩水出口 C2，間隙出口C3 )。其中，若有大量的水從密封腔左側間隙出口流出，流出的水將進(jìn)入軸承內部，引起軸承潤滑失效，減小軸承壽命。根據現場(chǎng)經(jīng)驗，防水密封氈圈在工作的過(guò)程中易磨損，為研究新型防水密封結構的防水效果及后期對該新型防水結構進(jìn)行優(yōu)化，根據圖1中的尺寸初步確定了如圖2所示的防水結構模型。

對模型做如下簡(jiǎn)化和基本假設:

(1)軸承徑向游隙對潤滑介質(zhì)流動(dòng)無(wú)影響; 

(2)不計保持架對潤滑介質(zhì)流動(dòng)的影響; 

(3)潤滑介質(zhì)流動(dòng)性受重力影響較小。

1.2 設定邊界條件

基于以上假設，邊界條件設置如下:

(1)入口邊界條件:供油泵持續供給潤滑油時(shí)，潤滑油進(jìn)口設為速度入口，速度為0.6 m/s;潤滑介質(zhì)為潤滑脂，入口設置為壁面，潤滑通道內預先設定的潤滑脂的體積分數根據內圈轉速與極限轉速的比值決定。

(2)出口邊界條件:當兩側密封圈磨損時(shí)，兩側出口設置為壓力出口，大小為大氣壓;當未磨損時(shí)，出口完好視為壁面。

結構參數如表1所示。

圖3示出了用Gambit軟件建立的新型防水密封結構模型和劃分的網(wǎng)格圖截面。設定外部水進(jìn)入槽內速度是1m/s，3個(gè)外部水出口均是壓力出口，內圈轉速設為670r/min。

2   仿真結果及分析

將建立的模型導入Fluent軟件中進(jìn)行計算，選用多項流k-ε模型、使用流場(chǎng)SIMPIC算法，監控3個(gè)出口水的質(zhì)量流率。當3個(gè)外部水出口的質(zhì)量流率在許可收斂誤差內時(shí)，判斷計算完成。 

2.1 防水密封氈圈磨損量對防水密封效果的影響

軋機軸承是在高速重載、連續作業(yè)和頻繁沖擊負荷等惡劣條件下運行的[14] 。在眾多影響防水結構的因素中，防水密封氈圈的磨損量是非常重要的因素。對于新型的防水密封結構，為研究防水密封氈圈磨損量對防水效果的影響，計算在內圈轉速為670r/min 的條件下，防水密封氈圈分別磨損0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 mm時(shí)間隙出口的質(zhì)量流率。圖4示出了轉速為670r/min時(shí)間隙出口水質(zhì)量流率隨防水密封氈圈磨損程度變化曲線(xiàn)。

由圖4可知，在轉速為670r/min時(shí)，間隙出口的排水量隨著(zhù)防水密封氈圈的磨損量的增大而呈增大趨勢;防水密封氈圈磨損量為0～0.2mm時(shí)，間隙出口的排水量增大趨勢不明顯;防水密封氈圈磨損量為0.2～1mm時(shí)，間隙出口排水量呈明顯增大的趨勢。這是因為防水密封氈圈磨損量越大，進(jìn)入迷宮的水越多。

2.2 軸承內圈轉速對防水效果的影響

對于新型的防水密封結構，為研究?jì)热D速對防水效果的影響，分別計算在防水密封圈磨損0.7mm的條件下轉速為190、400、670、950r/min時(shí)間隙出口的質(zhì)量流率，結果如圖5所示。

由圖5可知，在防水密封圈磨損0.7mm的條件下間隙出口排水量隨著(zhù)內圈轉速增大而減小。這是因為轉速越大，甩水出口排水量增大從而間隙出口排水量減小。

2.3 節流間隙對防水效果的影響

新型防水結構中節流間隙寬度為4.3mm，在防水密封圈的磨損量為1mm，內圈轉速為670r/min的條件下，通過(guò)改變節流間隙的寬度，得到每種工況下間隙出口的排水量。圖6示出了間隙出口水質(zhì)量流率隨節流間隙的變化的趨勢。

由圖6可知，當防水密封氈圈的磨損量為1mm 時(shí)，間隙出口的排水量在節流間隙寬度為0～1mm之間時(shí)劇增，在節流間隙寬度為1～6mm時(shí)排水量趨于平緩，在較小范圍內波動(dòng)。因此在制造和裝配允許的條件下，應適當減小節流間隙的寬度。究其原因，是防水密封氈圈的磨損量一定時(shí)，進(jìn)入迷宮的水量一 定，間隙出口排水量在一定范圍內隨間隙出口寬度變大而變大，達到一定值后小范圍波動(dòng)。 

2.4 間隙出口增設密封圈對防水效果的影響

為減少外部水通過(guò)間隙出口的排出量，在間隙出口處增設密封圈。與模型不同的是在間隙出口C3處增設密封圈，如圖7所示，在轉速為670r/min條件下，分別研究間隙出口密封圈磨損0、0.2、0.6、1、 1.4、1.8mm時(shí)間隙出口的排水量，結果如圖8所示。

由圖8可知，間隙出口的排水量在該處密封圈磨損0～1mm時(shí)有明顯的增大，而后排水量也基本不再改變。通過(guò)計算可知加密封圈前后間隙出口排水量所占比例均為4%左右，波動(dòng)幅度也較小。所以在間隙出口處添加密封圈對減少水從間隙出口進(jìn)入軸承有一 定的效果，但效果不明顯。

2.5 甩水出口改造對防水效果的影響

該鋼廠(chǎng)目前采用的甩水出口C2為直徑為5mm 的孔，周向布置12個(gè)。但通過(guò)研究可發(fā)現，該出口排水量較小，并不能有效地起到將外部水排出的作用。將甩水出口排水孔改造為周向的槽狀結構，即將模型中的甩水出口改造為周向槽狀，研究轉速、防水密封氈圈磨損量對改造后結構的防水效果。圖9為槽狀結構示意圖。圖10示出了改造前后間隙出口C3排水量隨防水密封氈圈磨損量的變化趨勢。

由圖10可知，將甩水出口C2由圓孔結構改為槽狀結構后，間隙出口C3的排水量與改造前相比呈明顯減小的趨勢，這是因為改為槽狀結構后，外部水通過(guò)甩水出口C2的流出量必然增多，從而間隙口排水量會(huì )有明顯減少。因此對新型防水密封結構進(jìn)行改造后防水效果有較大改善。

2.6 新型密封結構的現場(chǎng)驗證

某鋼廠(chǎng)軋機軸承采用之前傳統的防水密封結構時(shí)，軸承的使用壽命只有半年左右，采用了該新型密封結構后軸承的使用壽命延長(cháng)了一年左右。由此，可驗證軋機軸承新防水密封結構大大延長(cháng)了軸承的使用壽命，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。 

3   結論

(1)研究新型防水密封結構的參數對防水性能的影響，結果表明:間隙出口的排水量隨著(zhù)防水密封氈圈的磨損量的增大而增大，該出口的排水量占總的排水量4%左右;間隙出口的排水量隨著(zhù)轉速提高而下降;當防水密封氈圈磨損量一定時(shí)，在一定范圍內間隙出口的排水量隨節流間隙的增大而增大，當間隙達到一定值后，排水量在較小范圍內波動(dòng)，基本保持穩定。

(2)研究表明，在間隙出口處增設密封圈可以起到一定的防水作用，但是效果不明顯;而將甩水出口改造為槽狀結構時(shí)，相同條件下間隙出口排水量減少，因而能夠更有效地防止外部水進(jìn)入軸承內部，獲得較好的防水效果。

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來(lái)源：《潤滑與密封》

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