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(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.中國石油工程建設(shè)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(duì)某鋼廠軋機(jī)軸承新型防水密封結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)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(duì)防水效果的影響。結(jié)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(jié)構(gòu)的防水效果。為改善新型防水密封結(jié)構(gòu)的防水性能，提出在間隙出口增設(shè)密封圈和將甩水出口改造為槽狀結(jié)構(gòu)的方案。結(jié)果表明:在間隙出口處增設(shè)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(jié)構(gòu)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(jī)軸承；泄漏量；密封結(jié)構(gòu)；防水密封

目前在大型鋼廠中，因軋機(jī)軸承的潤滑與密封失效而造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。解決好軋機(jī)軸承的潤滑、密封問題，對(duì)于我國軋鋼產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)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(yùn)用有限差分法對(duì)迷宮密封做了大量而全面的工作，包括各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響、上下游計(jì)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(shù)。WASCHKA等[4]研究了高轉(zhuǎn)速對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響規(guī)律。HODKINSON[5]應(yīng)用流體力學(xué)替代熱力學(xué)來考慮流體動(dòng)能的直通效應(yīng)，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(dāng)空腔的深寬比增大時(shí)，泄漏量開始降低，達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候又趨于穩(wěn)定，當(dāng)空腔的深寬比繼續(xù)增加，泄漏量又會(huì)開始增加[6] 。

國內(nèi)，劉有軍和楊曉翔[7]對(duì)單腔室的迷宮密封進(jìn)行了數(shù)值分析，采用有限元法將單個(gè)腔室的研究結(jié)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(yùn)用GAMBIT軟件建立迷宮通道的二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，利用FLUENT模擬迷宮密封的內(nèi)部流動(dòng)，分析空腔深度、間隙寬度、節(jié)流片的傾斜角對(duì)迷宮密封性能的影響，得到較為優(yōu)化的迷宮密封結(jié)構(gòu)。朱高濤和劉衛(wèi)華[9]對(duì)現(xiàn)有的幾種迷宮密封泄漏量計(jì)算方法的理論推導(dǎo)原理、公式特點(diǎn)、使用方法與適用范圍等進(jìn)行了分析，并提出了一種簡化分析的迭代計(jì)算方法。葉建槐和劉占生[10]應(yīng)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(chǎng)和泄漏特性并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比，誤差為4%。李忠剛和陳予恕[11]應(yīng)用FLUENT軟件采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，求解迷宮密封三維流場(chǎng)，研究了渦動(dòng)轉(zhuǎn)子在不同壓比和偏心位移下密封腔室內(nèi)的流場(chǎng)特性。潘永密等[12-13]設(shè)計(jì)了迷宮密封的動(dòng)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)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(jìn)氣壓力、入口預(yù)旋等因 素對(duì)迷宮密封動(dòng)特性的影響。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸承密封做了大量研究，但都是針對(duì)單純的環(huán)形密封或迷宮密封，而對(duì)于像某鋼廠軋機(jī)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報(bào)道。本文擬對(duì)該組合防水新結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以流體力學(xué)CFD來研究新型密封結(jié)構(gòu)中防水密封氈圈磨損量、節(jié)流間隙寬度、內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對(duì)防水密封效果的影響，并探討間隙出口增設(shè)密封圈、改變甩水出口結(jié)構(gòu)對(duì)防水效果的影響，為軋機(jī)軸承的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。 

1   密封結(jié)構(gòu)仿真模型的建立 

1.1 計(jì)算模型

針對(duì)軋機(jī)軸承外部水易進(jìn)入軸承，引起軸承潤滑失效的問題，某鋼廠對(duì)傳統(tǒng)防水結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，使用了如圖1所示的新型防水結(jié)構(gòu)。該防水結(jié)構(gòu)是通過一個(gè)防水密封氈圈與具有一個(gè)空腔的迷宮來實(shí)現(xiàn)的。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)間隙出口流出，流出的水將進(jìn)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(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，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(jié)構(gòu)的防水效果及后期對(duì)該新型防水結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)模型。

對(duì)模型做如下簡化和基本假設(shè):

(1)軸承徑向游隙對(duì)潤滑介質(zhì)流動(dòng)無影響; 

(2)不計(jì)保持架對(duì)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(shè)定邊界條件

基于以上假設(shè)，邊界條件設(shè)置如下:

(1)入口邊界條件:供油泵持續(xù)供給潤滑油時(shí)，潤滑油進(jìn)口設(shè)為速度入口，速度為0.6 m/s;潤滑介質(zhì)為潤滑脂，入口設(shè)置為壁面，潤滑通道內(nèi)預(yù)先設(shè)定的潤滑脂的體積分?jǐn)?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(dāng)兩側(cè)密封圈磨損時(shí)，兩側(cè)出口設(shè)置為壓力出口，大小為大氣壓;當(dāng)未磨損時(shí)，出口完好視為壁面。

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型和劃分的網(wǎng)格圖截面。設(shè)定外部水進(jìn)入槽內(nèi)速度是1m/s，3個(gè)外部水出口均是壓力出口，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速設(shè)為670r/min。

2   仿真結(jié)果及分析

將建立的模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行計(jì)算，選用多項(xiàng)流k-ε模型、使用流場(chǎng)SIMPIC算法，監(jiān)控3個(gè)出口水的質(zhì)量流率。當(dāng)3個(gè)外部水出口的質(zhì)量流率在許可收斂誤差內(nèi)時(shí)，判斷計(jì)算完成。 

2.1 防水密封氈圈磨損量對(duì)防水密封效果的影響

軋機(jī)軸承是在高速重載、連續(xù)作業(yè)和頻繁沖擊負(fù)荷等惡劣條件下運(yùn)行的[14] 。在眾多影響防水結(jié)構(gòu)的因素中，防水密封氈圈的磨損量是非常重要的因素。對(duì)于新型的防水密封結(jié)構(gòu)，為研究防水密封氈圈磨損量對(duì)防水效果的影響，計(jì)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(shí)間隙出口的質(zhì)量流率。圖4示出了轉(zhuǎn)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。

由圖4可知，在轉(zhuǎn)速為670r/min時(shí)，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(shì);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(shì)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(shì)。這是因?yàn)榉浪芊鈿秩δp量越大，進(jìn)入迷宮的水越多。

2.2 軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對(duì)防水效果的影響

對(duì)于新型的防水密封結(jié)構(gòu)，為研究內(nèi)圈轉(zhuǎn)速對(duì)防水效果的影響，分別計(jì)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(shí)間隙出口的質(zhì)量流率，結(jié)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?yàn)檗D(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(duì)防水效果的影響

新型防水結(jié)構(gòu)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(shì)。

由圖6可知，當(dāng)防水密封氈圈的磨損量為1mm 時(shí)，間隙出口的排水量在節(jié)流間隙寬度為0～1mm之間時(shí)劇增，在節(jié)流間隙寬度為1～6mm時(shí)排水量趨于平緩，在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。因此在制造和裝配允許的條件下，應(yīng)適當(dāng)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(shí)，進(jìn)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(dá)到一定值后小范圍波動(dòng)。 

2.4 間隙出口增設(shè)密封圈對(duì)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(shè)密封圈。與模型不同的是在間隙出口C3處增設(shè)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(shí)間隙出口的排水量，結(jié)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。通過計(jì)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(duì)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(duì)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(gè)。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(jié)構(gòu)，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(duì)改造后結(jié)構(gòu)的防水效果。圖9為槽狀結(jié)構(gòu)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(shì)。

由圖10可知，將甩水出口C2由圓孔結(jié)構(gòu)改為槽狀結(jié)構(gòu)后，間隙出口C3的排水量與改造前相比呈明顯減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)楦臑椴蹱罱Y(jié)構(gòu)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(huì)有明顯減少。因此對(duì)新型防水密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造后防水效果有較大改善。

2.6 新型密封結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

某鋼廠軋機(jī)軸承采用之前傳統(tǒng)的防水密封結(jié)構(gòu)時(shí)，軸承的使用壽命只有半年左右，采用了該新型密封結(jié)構(gòu)后軸承的使用壽命延長了一年左右。由此，可驗(yàn)證軋機(jī)軸承新防水密封結(jié)構(gòu)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(jié)論

(1)研究新型防水密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)防水性能的影響，結(jié)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(dāng)防水密封氈圈磨損量一定時(shí)，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(dāng)間隙達(dá)到一定值后，排水量在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，基本保持穩(wěn)定。

(2)研究表明，在間隙出口處增設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)部，獲得較好的防水效果。

【參考文獻(xiàn)】

【1】ＲHODE D L，SOBOLIK SＲ．Simulation of subsonic flow through a generic labyrinth seal［J］．Journal of Engineering for Gas Tur bines and Power，1986，108(4):674－680． 

【2】ＲHODED L，HIBBSＲI．Tooth thickness effect on the perform-ance of gas labyrinth seals［J］．Journal of Tribology，1990，114 (4):790－795．

【3】DIETZEN F J，NOＲDMANNＲ．Calculating rotordynamic coeffi-cients of seals by finite－difference techniques［J］．ASME Jour nal of Tribology，1987，109(3):388－394．

【4】WASCHKA W，WITTIG S，KIM S，et al．Heat transfer and leak-age in high-speed rotating stepped labyrinth seals［J］．Heat Transfer and Cooling in Gas Turbines，1992，114(2):198－203．

【5】HODKINSON B．Estimation of the leakage through a labyrinth gland［J］．Institution of Mechanical Engineers，1939，41(1):283－288．

【6】EL－GAMAL H A，AWAD T H．Leakage from labyrinth seals under stationary and rotating conditions［J］．Tribology Internation al，1996，29(4):291－297．

【7】劉友軍，楊曉翔．徑向迷宮密封泄漏特性的數(shù)值預(yù)報(bào)［J］．潤滑與密封，1999，24(6):4－6．LIU Y J，YANG X X．Numerical prediction of leakage for radial labyrinth seal［J］．Lubrication Engineering，1999，24(6):4－6． 

【8】巴鵬，李旭，任希文．迷宮密封內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)泄漏量的影響［J］．潤滑與密封，2011，36(3):101－104． BA P，LI X，ＲEN X W．The influence ofchanges in internal structure size of labyrinth seal on leakage［J］．Lubrication Engi neering，2011，36(3):101－104．

【9】朱高濤，劉衛(wèi)華．迷宮密封泄漏量計(jì)算方法的分析［J］．潤滑與密封，2006，31(4):123－126．

ZHU G T，LIU W H．Analysis of calculational methods on leak age for labyrinth seals［J］．Lubrication Engineering，2006，31 (4):123－126．

【10】葉建槐，劉占生．高低齒迷宮密封流場(chǎng)和泄漏特性CFD研究［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2008，50(2):81－84． YE J H，LIU Z S．Study on the leakage flow characteristics in the stepped labyrinth seal based on CFD［J］．Turbine Technol ogy，2008，50(2):81－84．

【11】李忠剛，陳予?。詫m密封流場(chǎng)和泄漏量的數(shù)值分析與研究［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2012，54(6):401－404． LI Z G，CHEN Y S．The numerical simulation and research of the flow field and leakage of the labyrinth seals［J］．Turbine Technology，2012，54(6):401－404． 

【12】潘永密，鄭水英．迷宮密封氣流激振及其動(dòng)力系數(shù)的研究［J］．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1990，18(2):48－58.PAN Y M，ZHENG S Y．Study on the flow induced exciting forces and the dynamic characteristics of labyrinth seals［J］． Journal of Vibration Engineering，1990，18(2):48－58． 

【13】潘永密，姚寶旺，李烈榮，等．迷宮腔中氣流旋轉(zhuǎn)速度的逐腔變化規(guī)律及其阻力計(jì)算［J］．流體工程，1992，20(10):

27－33．

【14】肖景順．軋鋼機(jī)軸承機(jī)械密封的改進(jìn)［J］．潤滑與密封，1999，24(4):60－61．

來源：《潤滑與密封》

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