軋機軸承新型防水密封結構的數(shù)值分析

劉國勇¹　孫長福¹　張瑩娜²　蔡阿云³　宋鳴¹　朱冬梅¹

(1.北京科技大學機械工程學院；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(shù)值方法多相流k-ε模型，利用FLUENT軟件對某鋼廠軋機軸承新型防水密封結構的性能進行數(shù)值模擬，分析其失效原因，研究防水密封氈圈磨損量、轉(zhuǎn)速、防水節(jié)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(zhuǎn)速和減小節(jié)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，相同條件下間隙出口排水量減少，防水效果有較大改善。

關鍵詞：軋機軸承；泄漏量；密封結構；防水密封

目前在大型鋼廠中，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(shù)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)狀密封的動特性系數(shù)。WASCHKA等[4]研究了高轉(zhuǎn)速對迷宮密封泄漏特性的影響規(guī)律。HODKINSON[5]應用流體力學替代熱力學來考慮流體動能的直通效應，并把出口按噴嘴來處理，估算了迷宮密封的泄漏量。EI-GAMAL和AWAD等通過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)，通過研究轉(zhuǎn)軸在靜止和旋轉(zhuǎn)情況下的泄漏情況，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸靜止和旋轉(zhuǎn)情況下的密封性能并不一樣。此外，研究還發(fā)現(xiàn)當空腔的深寬比增大時，泄漏量開始降低，達到一定數(shù)值的時候又趨于穩(wěn)定，當空腔的深寬比繼續(xù)增加，泄漏量又會開始增加[6] 。

國內(nèi)，劉有軍和楊曉翔[7]對單腔室的迷宮密封進行了數(shù)值分析，采用有限元法將單個腔室的研究結果推廣到整個腔室，得到了整個迷宮腔室的流動特性。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(nèi)部流動，分析空腔深度、間隙寬度、節(jié)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(wèi)華[9]對現(xiàn)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、使用方法與適用范圍等進行了分析，并提出了一種簡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，通過求解Navier-Stokes方程和能量方程來模擬迷宮密封腔內(nèi)部流場和泄漏特性并與實驗結果做了對比，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，研究了渦動轉(zhuǎn)子在不同壓比和偏心位移下密封腔室內(nèi)的流場特性。潘永密等[12-13]設計了迷宮密封的動特性測量實驗臺，測量了迷宮密封的壓力沿軸向的分布和腔室內(nèi)沿周向的分布，比較了不同進氣壓力、入口預旋等因 素對迷宮密封動特性的影響。

雖然國內(nèi)外學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，而對于像某鋼廠軋機中間輥四列圓錐滾子軸承采用的一個帶有防水密封氈圈的環(huán)形密封和一個空腔的迷宮組合新型防水密封的研究尚未見報道。本文擬對該組合防水新結構進行研究，以流體力學CFD來研究新型密封結構中防水密封氈圈磨損量、節(jié)流間隙寬度、內(nèi)圈轉(zhuǎn)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入軸承，引起軸承潤滑失效的問題，某鋼廠對傳統(tǒng)防水結構進行了改造，使用了如圖1所示的新型防水結構。該防水結構是通過一個防水密封氈圈與具有一個空腔的迷宮來實現(xiàn)的。該結構設計了3個排水口(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(cè)間隙出口流出，流出的水將進入軸承內(nèi)部，引起軸承潤滑失效，減小軸承壽命。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，防水密封氈圈在工作的過程中易磨損，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行優(yōu)化，根據(jù)圖1中的尺寸初步確定了如圖2所示的防水結構模型。

對模型做如下簡化和基本假設:

(1)軸承徑向游隙對潤滑介質(zhì)流動無影響; 

(2)不計保持架對潤滑介質(zhì)流動的影響; 

(3)潤滑介質(zhì)流動性受重力影響較小。

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(xù)供給潤滑油時，潤滑油進口設為速度入口，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(nèi)預先設定的潤滑脂的體積分數(shù)根據(jù)內(nèi)圈轉(zhuǎn)速與極限轉(zhuǎn)速的比值決定。

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

結構參數(shù)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。設定外部水進入槽內(nèi)速度是1m/s，3個外部水出口均是壓力出口，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速設為670r/min。

2   仿真結果及分析

將建立的模型導入Fluent軟件中進行計算，選用多項流k-ε模型、使用流場SIMPIC算法，監(jiān)控3個出口水的質(zhì)量流率。當3個外部水出口的質(zhì)量流率在許可收斂誤差內(nèi)時，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(xù)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(nèi)圈轉(zhuǎn)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時間隙出口的質(zhì)量流率。圖4示出了轉(zhuǎn)速為670r/min時間隙出口水質(zhì)量流率隨防水密封氈圈磨損程度變化曲線。

由圖4可知，在轉(zhuǎn)速為670r/min時，間隙出口的排水量隨著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，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，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，進入迷宮的水越多。

2.2 軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對防水效果的影響

對于新型的防水密封結構，為研究內(nèi)圈轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為190、400、670、950r/min時間隙出口的質(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內(nèi)圈轉(zhuǎn)速增大而減小。這是因為轉(zhuǎn)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(jié)流間隙對防水效果的影響

新型防水結構中節(jié)流間隙寬度為4.3mm，在防水密封圈的磨損量為1mm，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速為670r/min的條件下，通過改變節(jié)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(jié)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，間隙出口的排水量在節(jié)流間隙寬度為0～1mm之間時劇增，在節(jié)流間隙寬度為1～6mm時排水量趨于平緩，在較小范圍內(nèi)波動。因此在制造和裝配允許的條件下，應適當減小節(jié)流間隙的寬度。究其原因，是防水密封氈圈的磨損量一定時，進入迷宮的水量一 定，間隙出口排水量在一定范圍內(nèi)隨間隙出口寬度變大而變大，達到一定值后小范圍波動。 

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(zhuǎn)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時有明顯的增大，而后排水量也基本不再改變。通過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

該鋼廠目前采用的甩水出口C2為直徑為5mm 的孔，周向布置12個。但通過研究可發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)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，外部水通過甩水出口C2的流出量必然增多，從而間隙口排水量會有明顯減少。因此對新型防水密封結構進行改造后防水效果有較大改善。

2.6 新型密封結構的現(xiàn)場驗證

某鋼廠軋機軸承采用之前傳統(tǒng)的防水密封結構時，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(shù)對防水性能的影響，結果表明:間隙出口的排水量隨著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轉(zhuǎn)速提高而下降;當防水密封氈圈磨損量一定時，在一定范圍內(nèi)間隙出口的排水量隨節(jié)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(nèi)波動，基本保持穩(wěn)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，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入軸承內(nèi)部，獲得較好的防水效果。

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來源：《潤滑與密封》

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