【技术实现步骤摘要】
一种等效式高速轴承流场参数的测量方法
[0001]本专利技术属于高速轴承
，具体涉及一种等效式高速轴承流场参数的测量方法。
技术介绍
[0002]轴承是实现高速旋转的关键原件，轴承通过旋转主轴安装于液体流场中，由于高速旋转的轴承具有大推力、高转速、极端温度的工况特点，造成轴承在运转过程中存在发乌、划痕甚至是破损的危险情况。其本质原因是高速旋转下的轴承发热无法及时进行热传导，难于进行热扩散。轴承所处的工作环境极其复杂，不仅有轴承各零部件的摩擦产生的热量扩散，还有与周边流体摩擦产生的热量，在这种复杂的工况下，热交换的研究更为复杂。而由于轴承的高速工况特点，导致现有的技术手段难于对其流场参数数据进行直接测量。
[0003]鉴于这种无法实现数据实时有效监测的背景，将理论计算和数值模拟相结合，提出了一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，对高速轴承的复杂流量、压力以及温度参数的分布、变化情况进行测量与分析，探究其影响因素，对高速轴承及其应用载体的结构设计和改进有着较为重要的实际意义。
技术实现思路
[000...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤一：构建一个模拟腔体(15)，使等效轴承(10)安装于模拟腔体(15)中，通过有限元仿真技术确定模拟腔体(15)的结构设计，获得与原有轴承工作环境相同的流量变化；步骤二：构建一个低转速的等效轴承(10)，确定其几何尺寸及结构构型，通过与实际原有轴承流场仿真对比分析，确保其可获得与实际高速旋转轴承相似的流场分布状态；步骤三：确定等效轴承(10)在模拟腔体(15)中的安装位置，获得与实际工况相似的流场分布状态；步骤四：构建一个模拟热源(9)，通过计算使模拟热源(9)的发热量与原有轴承高速旋转时产生的热量相同；步骤五：确定模拟热源(9)在模拟腔体(15)中的安装位置，使其可等效模拟原有轴承高速旋转时周边热流场的分布状态；步骤六：构建模拟动力源(17)，使其可带动旋转主轴(1)及等效轴承(10)进行旋转，模拟原有轴承在涡轮泵中高速旋转的运动，首先分析等效轴承(10)流场模拟过程中载荷方向、使用寿命，计算支撑轴承的摩擦功耗，确定模拟动力源(17)与旋转主轴(1)间支撑轴承的选型，并确定其配置方式；步骤七：对步骤三中所得的等效流场的速度流场迹线图、流场分布轴向截面图及步骤五所得的热流场分布轴向截面图进行综合分析；依据模拟腔体(15)进口流量、压力应符合等效轴承(10)模拟条件的需求，确定流体入口管道(4)处应为流量、压力参数的监测关键点；依据模拟腔体流量出口处会产生压力释放现象的情况，确定流体出口管道(11)处应为流量、压力参数的监测关键点；另外，压力最值处、压力骤变处、压力变化幅度恒定的空腔区也应为压力参数的监测关键点；依据应方便检查等效轴承(10)内部发热情况的需求，确定流体入口管道(4)处应为温度参数的监测关键点；通过比较等效轴承(10)前端面附近流场和后端面附近流场的温度参数，可以准确计算出等效轴承(10)工作时的发热效率，因此等效轴承(10)前后端面附近流场处也应确定为温度参数的监测关键点；通过比较等效轴承(10)后端面附近流场与流体出口管道(11)处的温度参数，分析出等效流场的散热情况，因此流体出口管道(11)处应为温度参数的监测关键点；另外，温度骤变处也应为温度参数的监测关键点；将步骤一至步骤六确定的模拟腔体(15)、等效轴承(10)、模拟热源(9)、模拟动力源(17)按所得理想位置进行装配，在分析所得的流量、压力、温度监测关键点安装相应的传感器，即可对等效流场的流场、压力、温度等参数进行数据采集，从而完成对原有高速轴承流场分布参数的等效测量。2.根据权利要求1所述的一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，其特征在于，所述步骤一具体为：1
‑
1)参考原有轴承的工作环境、结构特点及几何尺寸，初步设计模拟腔体(15)结构为圆柱壳体，模拟腔体(15)可随旋转主轴(1)同步旋转，左右两模拟腔体端盖(5)上分别设置有流体入口管道(4)及流体出口管道(1)随旋转主轴(15)周列分布；1
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2)以模拟腔体(15)的直径为变量，在三维计算机辅助设计软件Solidworks中建立多组不同直径模拟腔体(15)结构的三维模型；1
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3)将步骤1
‑
2)中建立的多个模拟腔体(15)结构的三维模型分别以中间文件的格式
导入到有限元商业软件Ansys workbench中，设置相同的边界条件，分别对其流场进行仿真计算，求解得到其流场分布云图，再将流场分布云图导入后处理软件Tecplot进行后期处理，获得其轴向截面图；在所得各个方案的流场分布云图的轴向截面图中旋转主轴(1)附近各选取5个位置测点，分别确定各个位置测点的流场合速度数值，并绘制模拟腔体(15)各个直径尺寸方案的流场合速度折线图；1
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4)通过对1
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3)所得不同直径尺寸方案的模拟腔体(15)测点流场合速度折线图进行对比分析，并结合腔体中被测轴承的直径大小，综合确定流场流速更大的为腔体结构设计直径；1
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5)以模拟腔体(15)的长度为变量，在三维计算机辅助设计软件Solidworks中建立多组不同长度模拟腔体(15)结构的三维模型；1
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6)将步骤1
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5)中建立的多个模拟腔体(15)结构三维模型分别以中间文件的格式分别导入到有限元商业软件Ansys workbench中，设置相同的边界条件，对其流场进行仿真计算，求解得到其速度流场迹线图与流场分布云图；将所得各个方案的流场分布云图导入后处理软件Tecplot进行后期处理，获得其轴向截面图，在其中旋转主轴(1)附近选取5个位置测点，分别确定各个位置测点的流场合速度数值，并绘制模拟腔体(15)各个长度方案的流场合速度折线图；1
‑
7)通过对1
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6)所得的模拟腔体(15)不同长度方案的流场合速度折线图及所得速度流场迹线图进行对比分析，综合确定迹线图中流场变化更为明显、折线图中流场合速度数值波动更大的方案为腔体结构设计长度。3.根据权利要求1所述的一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，其特征在于，所述步骤二具体为：2
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1)根据原有轴承的几何结构特点可知，其截面面积与孔隙面积共同构成了原有流场中介质穿过轴承的总面积，分别计算原有轴承截面面积与孔隙面积；设计多组不同直径、孔隙、厚度尺寸的等效轴承(10)结构构型方案，使其截面面积与计算所得的原有轴承最大截面面积相等，并且使得等效轴承(10)的孔隙面积等于计算所得的原有轴承孔隙面积；根据质量流量的计算公式可知，质量流量等于体积流量与介质密度之积，又根据体积流量计算公式可知，体积流量等于平均流速与介质穿过的总截面面积之积，故当等效轴承(10)的截面面积、孔隙面积与原有轴承的最大截面面积、孔隙面积分别相等时，等效轴承(10)可通过与原有轴承大致相同的流量；2
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2)在三维计算机辅助设计软件Solidworks中分别建立2
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1)所述的多个不同构型方案的等效轴承(10)、原有轴承及模拟腔体(15)的三维模型，并将不同方案等效轴承(10)三维模型、原有轴承三维模型分别安装于模拟腔体(15)三维模型的相同安装位置，获得不同构型方案等效轴承(10)的装配体，以及原有轴承的装配体；2
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3)重复步骤1
‑
6)，得到不同构型方案的装配体三维模型以及原有轴承装配体三维模型的速度流场迹线图、流场分布轴向截面图和位置测点的流场合速度折线图；利用位置测点的流场合速度数值，分别对可行结构构型、原有轴承的轴向截面流场分布云图和速度流场迹线图进行精确得区域划分；
2
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4)通过对2
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3)所得位置测点的流场合速度数值、流场合速度折线图、精确分区后的轴向截面流场分布云图和速度流场迹线图进行对比分析，若某等效轴承(10)构型同时满足位置测点流场合速度数值与原有轴承仿真所得的位置测点流场合速度数值相近、轴向截面流场分布云图中旋转轴附近流场分布状况与原有轴承旋转轴附近流场分布状况相似、速度流场迹线图与原有轴承速度流场迹线图基本相似、合速度折线图与原有轴承合速度折线图基本重合，则证明该构型轴承与原有轴承等效，即该可行结构构型为等效轴承(10)的理想结构构型。4.根据权利要求1所述的一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，其特征在于，所述步骤三具体为：3
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1)以等效轴承(10)安装点与模拟腔体(15)内腔左端面的装配距离为变量，在三维计算机辅助设计软件Solidworks中将等效轴承(10)三维模型安装在模拟腔体(15)三维模型内的不同位置，获得多个不同的等效轴承(10)安装方案的装配体；3
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2)重复步骤1
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6)，得到不同安装方案等效轴承(10)装配体的速度流场迹线图、流场分布轴向截面图和位置测点的流场合速度折线图；3
‑
3)通过对3
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2)所得的多个不同安装方案的流场迹线图及其流场合速度折线图进行对比分析，综合确定流场迹线图中流场阶梯明显，无涡旋现象，旋转轴附近梯度变化缓慢，试验器内腔内壁与进出口梯度变化明显，流场合速度折线图中有明显梯度分布的安装方案为等效轴承(10)在模拟腔体(15)中理想的安装方案。5.根据权利要求1所述的一种等效式高速轴承流场参数的测量方法，其特征在于，所述步骤四具体为：4
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1)参考原有轴承各部件之间的配合关系，定义坐标系：惯性坐标系OXYZ、滚动体的定体坐标系BXbYbZb、滚动体方位坐标系AXaYaZa、套圈定体坐标系RXrYrZr和其它局部坐标系；其中，惯性坐标系固定于空间，其原点O建立在外圈中心，X轴沿着轴承的中心线；滚动体方位坐标系用以描述滚动体中心在轴承上的轨道位置，其原点A位于滚动体中心；初始状态下，Xa轴与X轴平行，Za轴通过滚动体中心，且与轴承中心线垂直相交，Ya轴按右手螺旋规则确定；套圈定体坐标系固结于套圈上并随之运动，其原点R位于套圈中心，初始状态下，坐标轴Xr的指向与X轴平行，Zr轴的指向与Z轴相同，Yr轴按照右手螺旋规则确定；4
‑
2)惯性圆柱坐标系中球中心位置向量为移动速度向量为直角坐标系中球位置向量为速度向量为滚子姿态角为定体坐标系中球旋转速度向量为惯性直角坐标系中套圈位置向量为速度向量为套圈定体坐标系中姿态角为套圈定体坐标系中旋转速度为球定体坐标系到惯性坐标系转换矩阵为内圈定体坐标系到惯性坐标系转换矩阵为惯性坐标系到球方位坐标系转换矩阵为惯性直角坐标系中球中心相对套圈中心位置向量为转换到方位坐标系中为而转换到套圈定体坐标系中为进而获得球在套圈坐标系中方位角为
θ
br
，于是套圈定体坐标系中球所在方位的滚道曲率中心位置向量为其中r
f
表示套圈曲率中心轨迹圆半径，球方位坐标系中球中心相对于套圈曲率中心的位置向量可根据式计算求得，接触角表达式为：于是可得到球方位坐标系到接触坐标系转换矩阵为T
ap
＝T(α
c1
,α
c2
,0)，而球与滚道之间接触变形可根据式计算求得，式中f
rs
表示沟曲率半径系数，d
b
表示球直径；获得接触变形之后，球与滚道接触处会产生椭圆接触区域，根据Hertz点接触理论可计算获得接触区长半轴a、短半轴b和接触应力p
h
；由于涡轮泵轴承润滑条件恶劣，...
【专利技术属性】
技术研发人员：高羡明，华梦怡，郭宁波，张功学，赵逸飞，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：
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