轧机轴承新型防水密封结构的数值分析

发布时间：2024-03-19

刘国勇¹　孙长福¹　张莹娜²　蔡阿云³　宋鸣¹　朱冬梅¹

(1.北京科技大学机械工程学院；2.中国石油工程建设有限公司；3.北京首钢冷轧薄板有限公司)

摘　要：基于CFD数值方法多相流k-ε模型，利用FLUENT软件对某钢厂轧机轴承新型防水密封结构的性能进行数值模拟，分析其失效原因，研究防水密封毡圈磨损量、转速、防水节流间隙对防水效果的影响。结果表明，减少防水密封毡圈磨损量、增大转速和减小节流间隙，可提升新型防水密封结构的防水效果。为改善新型防水密封结构的防水性能，提出在间隙出口增设密封圈和将甩水出口改造为槽状结构的方案。结果表明:在间隙出口处增设密封圈可以起到一定的防水作用，但是效果不明显;而将甩水出口改造为槽状结构时，相同条件下间隙出口排水量减少，防水效果有较大改善。

关键词：轧机轴承；泄漏量；密封结构；防水密封

目前在大型钢厂中，因轧机轴承的润滑与密封失效而造成的经济损失是巨大的。解决好轧机轴承的润滑、密封问题，对于我国轧钢产业生产效率和经济效 益的提高具有举足轻重的作用。国外以RHODE为代表的Texas A＆M University的研究人员运用有限差分法对迷宫密封做了大量而全面的工作，包括各种结构参数对密封性能的影响、上下游计算边界条件的处理等[1-2] 。DIETZED和NOＲDMAN[3]首先提出二维CFD摄动模型，用有限差分法求解不可压缩流体的N-S方程，得到了环状密封的动特性系数。WASCHKA等[4]研究了高转速对迷宫密封泄漏特性的影响规律。HODKINSON[5]应用流体力学替代热力学来考虑流体动能的直通效应，并把出口按喷嘴来处理，估算了迷宫密封的泄漏量。EI-GAMAL和AWAD等通过改变迷宫的几何尺寸，研究迷宫密封的性能。上述研究用不可压缩流体作为介质，通过研究转轴在静止和旋转情况下的泄漏情况，发现在转轴静止和旋转情况下的密封性能并不一样。此外，研究还发现当空腔的深宽比增大时，泄漏量开始降低，达到一定数值的时候又趋于稳定，当空腔的深宽比继续增加，泄漏量又会开始增加[6] 。

国内，刘有军和杨晓翔[7]对单腔室的迷宫密封进行了数值分析，采用有限元法将单个腔室的研究结果推广到整个腔室，得到了整个迷宫腔室的流动特性。巴鹏等人[8]运用GAMBIT软件建立迷宫通道的二维非结构化网格模型，利用FLUENT模拟迷宫密封的内部流动，分析空腔深度、间隙宽度、节流片的倾斜角对迷宫密封性能的影响，得到较为优化的迷宫密封结构。朱高涛和刘卫华[9]对现有的几种迷宫密封泄漏量计算方法的理论推导原理、公式特点、使用方法与适用范围等进行了分析，并提出了一种简化分析的迭代计算方法。叶建槐和刘占生[10]应用FLUENT软件，采用Simple算法和SST k-ω湍流模型，通过求解Navier-Stokes方程和能量方程来模拟迷宫密封腔内部流场和泄漏特性并与实验结果做了对比，误差为4%。李忠刚和陈予恕[11]应用FLUENT软件采用标准k-ε湍流模型，求解迷宫密封三维流场，研究了涡动转子在不同压比和偏心位移下密封腔室内的流场特性。潘永密等[12-13]设计了迷宫密封的动特性测量实验台，测量了迷宫密封的压力沿轴向的分布和腔室内沿周向的分布，比较了不同进气压力、入口预旋等因 素对迷宫密封动特性的影响。

虽然国内外学者对轴承密封做了大量研究，但都是针对单纯的环形密封或迷宫密封，而对于像某钢厂轧机中间辊四列圆锥滚子轴承采用的一个带有防水密封毡圈的环形密封和一个空腔的迷宫组合新型防水密封的研究尚未见报道。本文拟对该组合防水新结构进行研究，以流体力学CFD来研究新型密封结构中防水密封毡圈磨损量、节流间隙宽度、内圈转速对防水密封效果的影响，并探讨间隙出口增设密封圈、改变甩水出口结构对防水效果的影响，为轧机轴承的密封结构设计提供参考。 

1   密封结构仿真模型的建立 

1.1 计算模型

针对轧机轴承外部水易进入轴承，引起轴承润滑失效的问题，某钢厂对传统防水结构进行了改造，使用了如图1所示的新型防水结构。该防水结构是通过一个防水密封毡圈与具有一个空腔的迷宫来实现的。该结构设计了3个排水口(回流出口C1，甩水出口 C2，间隙出口C3 )。其中，若有大量的水从密封腔左侧间隙出口流出，流出的水将进入轴承内部，引起轴承润滑失效，减小轴承寿命。根据现场经验，防水密封毡圈在工作的过程中易磨损，为研究新型防水密封结构的防水效果及后期对该新型防水结构进行优化，根据图1中的尺寸初步确定了如图2所示的防水结构模型。

对模型做如下简化和基本假设:

(1)轴承径向游隙对润滑介质流动无影响; 

(2)不计保持架对润滑介质流动的影响; 

(3)润滑介质流动性受重力影响较小。

1.2 设定边界条件

基于以上假设，边界条件设置如下:

(1)入口边界条件:供油泵持续供给润滑油时，润滑油进口设为速度入口，速度为0.6 m/s;润滑介质为润滑脂，入口设置为壁面，润滑通道内预先设定的润滑脂的体积分数根据内圈转速与极限转速的比值决定。

(2)出口边界条件:当两侧密封圈磨损时，两侧出口设置为压力出口，大小为大气压;当未磨损时，出口完好视为壁面。

结构参数如表1所示。

图3示出了用Gambit软件建立的新型防水密封结构模型和划分的网格图截面。设定外部水进入槽内速度是1m/s，3个外部水出口均是压力出口，内圈转速设为670r/min。

2   仿真结果及分析

将建立的模型导入Fluent软件中进行计算，选用多项流k-ε模型、使用流场SIMPIC算法，监控3个出口水的质量流率。当3个外部水出口的质量流率在许可收敛误差内时，判断计算完成。 

2.1 防水密封毡圈磨损量对防水密封效果的影响

轧机轴承是在高速重载、连续作业和频繁冲击负荷等恶劣条件下运行的[14] 。在众多影响防水结构的因素中，防水密封毡圈的磨损量是非常重要的因素。对于新型的防水密封结构，为研究防水密封毡圈磨损量对防水效果的影响，计算在内圈转速为670r/min 的条件下，防水密封毡圈分别磨损0.1、0.2、0.3、 0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1 mm时间隙出口的质量流率。图4示出了转速为670r/min时间隙出口水质量流率随防水密封毡圈磨损程度变化曲线。

由图4可知，在转速为670r/min时，间隙出口的排水量随着防水密封毡圈的磨损量的增大而呈增大趋势;防水密封毡圈磨损量为0～0.2mm时，间隙出口的排水量增大趋势不明显;防水密封毡圈磨损量为0.2～1mm时，间隙出口排水量呈明显增大的趋势。这是因为防水密封毡圈磨损量越大，进入迷宫的水越多。

2.2 轴承内圈转速对防水效果的影响

对于新型的防水密封结构，为研究内圈转速对防水效果的影响，分别计算在防水密封圈磨损0.7mm的条件下转速为190、400、670、950r/min时间隙出口的质量流率，结果如图5所示。

由图5可知，在防水密封圈磨损0.7mm的条件下间隙出口排水量随着内圈转速增大而减小。这是因为转速越大，甩水出口排水量增大从而间隙出口排水量减小。

2.3 节流间隙对防水效果的影响

新型防水结构中节流间隙宽度为4.3mm，在防水密封圈的磨损量为1mm，内圈转速为670r/min的条件下，通过改变节流间隙的宽度，得到每种工况下间隙出口的排水量。图6示出了间隙出口水质量流率随节流间隙的变化的趋势。

由图6可知，当防水密封毡圈的磨损量为1mm 时，间隙出口的排水量在节流间隙宽度为0～1mm之间时剧增，在节流间隙宽度为1～6mm时排水量趋于平缓，在较小范围内波动。因此在制造和装配允许的条件下，应适当减小节流间隙的宽度。究其原因，是防水密封毡圈的磨损量一定时，进入迷宫的水量一 定，间隙出口排水量在一定范围内随间隙出口宽度变大而变大，达到一定值后小范围波动。 

2.4 间隙出口增设密封圈对防水效果的影响

为减少外部水通过间隙出口的排出量，在间隙出口处增设密封圈。与模型不同的是在间隙出口C3处增设密封圈，如图7所示，在转速为670r/min条件下，分别研究间隙出口密封圈磨损0、0.2、0.6、1、 1.4、1.8mm时间隙出口的排水量，结果如图8所示。

由图8可知，间隙出口的排水量在该处密封圈磨损0～1mm时有明显的增大，而后排水量也基本不再改变。通过计算可知加密封圈前后间隙出口排水量所占比例均为4%左右，波动幅度也较小。所以在间隙出口处添加密封圈对减少水从间隙出口进入轴承有一 定的效果，但效果不明显。

2.5 甩水出口改造对防水效果的影响

该钢厂目前采用的甩水出口C2为直径为5mm 的孔，周向布置12个。但通过研究可发现，该出口排水量较小，并不能有效地起到将外部水排出的作用。将甩水出口排水孔改造为周向的槽状结构，即将模型中的甩水出口改造为周向槽状，研究转速、防水密封毡圈磨损量对改造后结构的防水效果。图9为槽状结构示意图。图10示出了改造前后间隙出口C3排水量随防水密封毡圈磨损量的变化趋势。

由图10可知，将甩水出口C2由圆孔结构改为槽状结构后，间隙出口C3的排水量与改造前相比呈明显减小的趋势，这是因为改为槽状结构后，外部水通过甩水出口C2的流出量必然增多，从而间隙口排水量会有明显减少。因此对新型防水密封结构进行改造后防水效果有较大改善。

2.6 新型密封结构的现场验证

某钢厂轧机轴承采用之前传统的防水密封结构时，轴承的使用寿命只有半年左右，采用了该新型密封结构后轴承的使用寿命延长了一年左右。由此，可验证轧机轴承新防水密封结构大大延长了轴承的使用寿命，降低了企业的生产成本。 

3   结论

(1)研究新型防水密封结构的参数对防水性能的影响，结果表明:间隙出口的排水量随着防水密封毡圈的磨损量的增大而增大，该出口的排水量占总的排水量4%左右;间隙出口的排水量随着转速提高而下降;当防水密封毡圈磨损量一定时，在一定范围内间隙出口的排水量随节流间隙的增大而增大，当间隙达到一定值后，排水量在较小范围内波动，基本保持稳定。

(2)研究表明，在间隙出口处增设密封圈可以起到一定的防水作用，但是效果不明显;而将甩水出口改造为槽状结构时，相同条件下间隙出口排水量减少，因而能够更有效地防止外部水进入轴承内部，获得较好的防水效果。

【参考文献】

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【14】肖景顺．轧钢机轴承机械密封的改进［J］．润滑与密封，1999，24(4):60－61．

来源：《润滑与密封》

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