基于ANSYS的水轮机推力轴承动力学分析

基于ANSYS的水轮机推力轴承动态分析

邝涛、秦占生

(河海大学能源与电气学院，江苏南京211106)

摘要:对于某一水轮机结构来说，推力轴承是一个重要的部件，其运行状态的好坏直接关系到水轮机的运行。

对安全性和稳定性有重大影响。为此，对水轮机推力轴承进行了动态仿真和结构分析。

研究推力轴承在运动中的特性，为推力轴承的实时监测提供理论支持具有重要意义。介绍了水轮机轴承的内部运动学关系，建立了轴承的有限元模型，利用ANSYS/LS-DYNA的显式动力学模块模拟了轴承的运动过程，分析了正常情况下滚动轴承各部件的应力和位移分布规律，为水轮机推力轴承的正常运行提供了理论依据。

关键词:推力轴承；有限元分析；显性动态；动态仿真

5276(2015)01-0038-04中国图分类号:TH 133.33+1；TP391.9文件识别码:A货号:1671-

基于ANSYS的汽轮机推力轴承动力学分析

邝涛，秦占生

(河海大学能源与电气工程学院，南京211106，中国)

摘要:推力轴承是水轮机结构的重要组成部分，其质量影响着水轮机的安全性和稳定性

操作。因此，对其进行动力学仿真和结构分析，研究其运动特性，为实时监控提供理论支持具有重要意义。描述了涡轮轴承内部的运动学关系，建立了涡轮轴承的有限元模型，并利用ANSYS / LS-DYNA显式动力学模块对滚动轴承的运动进行了仿真。通过LS -PREPOST对结果的处理，显示了轴承在正常工作条件下的应力和位移分布。为汽轮机的顺利运行提供了理论依据。

关键词:推力轴承；有限元分析；显性动态；动态仿真

[1]

衔接问题。

ANSYS /LS -DYNA主要是基于非线性动力分析及其应用

0简介

在水轮机运行中，轴承是安全运行的关键部件之一，其在运行过程中的状态对水轮机的安全性有很大的影响，轴承是否稳定运行关系到水力发电的安全生产。

在滚动轴承运动仿真的基础上，利用LS -DYNA display dynamics对某水轮机推力轴承进行了分析，得出了这种推力轴承的基本特性。

具有显式时间积分的大型有限元分析程序。在动态有限元分析中，系统的解方程为:

M a t+Ca t+CAT = QT (1)其中:AT为系统节点的加速度矢量；t是系统节点的速度。

度数向量；A t是系统节点的位移矢量；m是系统的质量矩阵；c是系统的阻尼矩阵；k是系统的刚度矩阵；Q t是系统节点的负载向量。

在显式动态中心差分法中，假设t =0时的位移。

A 0，速度a 0，加速度a 0已知。假设将时间解域等分成n个相等的时间间隔δt，已经得到了0-t时刻的所有解。计算的目的是求解t+δt时刻的解..

利用泰勒展开，将a T+δT在时间点T展开成泰勒多项式，取有限项作为a T+δT的近似值:

δt ++δt(p)

= ++ a t…a t+δt a tδta t

2p t

1显式动力学的基本算法

有限元软件包括两个核心操作:显式算法和隐式算法。

法律。隐式算法基于虚功原理，每一个增量步都需要迭代求解静力平衡方程，迭代过程中需要求解大型线性方程组，占用相当大的计算资源(包括磁盘空间和内存等。);显式算法采用其中一个动力学方程。

线性加速法一些差分格式(如广泛使用的中心差分法、

和纽马克法等。)，同时也不需要直接求解切线刚度。

需要平衡迭代，计算速度快，可以节省大量计算时间。只要时间步长足够小，对于非线性问题一般没有增益。

(2)

其中:一个t

是t的p微分。

根据系统解(1)作二次微分，取:

a t+δt = a t+δta t+

δt

一个t 2

(p)

(3)

推导公式(3)并省略高阶:

硕士研究生，主要研究方向为流体机械结构。男，四川绵阳人，作者:匡涛(1988-)，

38邮箱:zzhd @ chainajournal.net.cn《机械制造及自动化》

机械制造

基于ANSYS的水轮机推力轴承动态分析

a t+δt = a t+δt a t(4)

t)和(t-δt+δt)，在时间区间(t-δt，速度可以位移。

近似表达式包括:

(a t-a t-δt)δt 1

a t+δt =(-a t+a t+δt)

δt

a t =(5)(6)

将式(6)代入式(3)包括:加入式(5)，...1.

a t =(a t-δt-2a t+a t+δt)

δt

t+δt)有:同样在时间间隔(t-δt，

(7)

图1

是完全受约束的。

推力轴承的位置如图2所示:工作时轴承处于压力下。

载荷和转速载荷，推力轴承轴承质量约2t，转子转速136r /min，压力和转速施加在相应位置的刚性面上。为了模拟真实水轮机启动过程中的转数和应力加载，如图3和图4所示设置两个参数的加载历史。

：

轴承有限元模型图

a t =

(a+-a-)2δt tδt tδt

(8)

将公式(8)代入公式(1)，系统可以通过求解公式(7)来求解方程，

每个离散时间点位移值的递推公式；

（

Q t -K -

+M C a t+δt = 2

2δtδt

)

211M a t-M-C a t-δt 22

2δtδtδt[2-11]

。是经典的中心差分格式。

()()

2.水轮机推力轴承仿真模型的建立

a)建立有限元模型

拿一个低水头涡轮机来说(涡轮机不是用来发电的，而是用来回收的)

推力轴承51322为仿真对象，其结构尺寸见表1。推力轴承的几何模型采用自下而上的方法建立，模型简化如下:

1)仿真过程中不考虑滚动轴承径向游隙和轴向游隙以及油膜的影响。

2)由于滚动轴承在工作过程中的塑性变形很小，所以在模拟过程中轴承材料都是线弹性材料。

表1

[1,3]

图2

低水头水轮机局部结构图

。

推力球轴承51322结构参数

值13

符号物理意义数字符号物理意义数字符号物理意义d

轴承内径110毫米d 1座圈内径113毫米。

滚筒数量

D轴承外径190mm D 1轴环外径187mm d z T

轴承高度63毫米

圆角半径为2mm。

d r

滚子直径14.85毫米滚道直径

15毫米

图3

旋转加载过程图

选择三维实体164作为有限元单元。在网格划分过程中，网格划分采用扫掠网格和映射网格相结合的方式，并使用六面体单元。为了模拟边界条件，假设与其他刚性结构相互作用的表面为刚性表面。由于三维实体164单元没有转动自由度，无法施加转速，所以将轴承套圈的刚性面设置为薄壳163单元施加径向力和转速。滚动轴承的有限元模型如图1所示。

b)设定边界条件、材料参数和载荷参数

轴圈、座圈和滚动体的材料均为GCr15钢，密度为

211

7830kg /m，弹性模量2.06？10Pa，泊松比为0。

23;保持架采用冷轧钢板，密度7830kg /m，弹性模具。

数量是1.96？10Pa，泊松比0.24。为了模拟轴承夹具

图4应力加载过程图

固定在工作状态的轴承座，轴承座圈下表面的刚性面

设置

麦克·海因

建筑物

自动生成，二月2015，44(1):38 41

转速从0加载到136转/分，在0.5s内完成(真水

涡轮的启动过程需要的时间比较长，而且计算量太大，模拟效果基本都是一个)，所以这里设置为0.5s。应力在整个模拟过程中没有变化。

c)接触模式设置

显式分析没有接触元素，与隐式分析不同。

有必要为模拟定义接触表面、接触类型和接触相关参数。

实际接触。

滚动轴承工作时有三种接触，即滚动体与轴圈滚道和座圈滚道的接触，滚动体与保持架兜孔的接触。

[1,4]

。因此，选择自动面面接触进行分析，它们都是面面接触。根据指定接触面和目标面的原则，定义了轴圈滚道表。

滚道表面、滚道表面和保持架兜孔表面为目标表面，滚子外表面为39组接触副。根据材料性能等参数，滚子与滚道、轴环与保持架的静摩擦系数分别为0.35和0.2，0.16为0.35，动摩擦系数分别为0.16和0.1。

三个轴承的显式动态分析

图5

滚动轴承的等效应力云图

根据上述有限元模型、边界和载荷条件，计算时间为100ms，输出步数为1000，后处理采用LS -PRE-POST。计算结果如下。

1)滚动轴承部件等效应力分布分析

为了反映整个过程，如图5(a)-图5(d)所示，取51322轴承在70ms、85ms、100ms时各部位的等效应力云图，表为40 ms。

他的力矩的等效应力云图是相似的。正常滚动轴承在40ms和70ms时的最大等效应力为193.4MPa

85ms时，轴承的最大等效应力为349.9MPa和336.8MPa，

100ms处的最大等效应力为347.6MPa，对比三张图可以看出，轴承更大的应力出现在滚子与滚道和轴环的接触处。

面积，即图中滚子与轴圈、座圈的接触面积颜色较深。在轴承运行过程中，最大应力值和最大应力位置随着滚动体的运动而变化。

。

为了全面分析轴承系统的受力情况，

给出了70ms时滚动轴承各元件的等效应力云图，其他元件的应力云图也差不多，如图6(a)-图6(d)。

。

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一些必要的简化，选择合适的单元类型和材料型号，轴承。

建立几何模型并通过网格划分生成有限元模型，然后根据水轮机推力轴承的实际工况设置有效约束和载荷，设置接触副，在轴承部件之间建立良好的连接。最后，在AN-SYS/LS-DYNA中完成轴承的动力学仿真，在LS -PREPOST中对结果进行后处理，并对仿真结果进行分析。结果表明:

1)轴承相对较大的等效应力出现在滚子、轴环和座中。

图6轴承部件的等效应力云图

在套圈接触区，最大应力出现在接触面以下一定深度并逐渐向外衰减，球轴承的接触应力在接触面上呈椭圆形。

2)轴承在工作过程中，峰值应力发生在节点与轴环和滚道的接触位置，并位于滚子表面。3)轴承运行过程中，最大应力值和最大应力位置随滚动体的运动而变化，接触应力和应力水平由大到小依次为滚动体、轴圈、座圈和保持架。

4)在仿真的基础上，分析了轴承等效应力的变化特征。利用该方法可以准确地为轴承的正常运行提供一些数据参考，并在此基础上进一步进行轴承的故障分析，为轴承的安全运行提供更可靠的数据和理论依据。参考资料:

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[8]高纯良，王成东，苗强机。滚动轴承的动态仿真与分析[J]

从图5-图6可以看出，滚子、轴环、座环和保持架

同时最大等效应力也不尽相同，其中，滚子应力最大，为336.8MPa，其次是轴圈236.5MPa，座圈222.9MPa，保持架61.8MPa最小。滚子较大的应力出现在与轴圈和座圈的接触区域，滚子与轴圈接触区域的应力大于滚子与座圈接触区域的应力。轴圈和座圈是轴承中直接接触和承载滚动体的主要部件，它们的应力分布与滚动体的应力分布密切相关。因此，座圈和座圈的较大应力也分布在与滚动体的接触区域，在接触面上应力分布区域呈椭圆形。保持架在兜孔之间的应力分布比较均匀，较大的应力出现在兜孔与滚子的接触区域。同时，从图6(a)中的应力分布可以看出，应力峰值都出现在滚子与轴圈和座圈的接触位置，该位置位于滚子上方。

2)滚动轴承的滚动体与座圈、轴圈的接触分析。

为了清晰地反映滚子与滚道的接触情况，在LS -PREPOST的后处理中制作了一些节点的位移曲线，从曲线中可以清楚地看到滚子与滚道的接触情况。如图7所示，给出了座圈节点27793和轴圈节点7149的Z向位移曲线。

。

图7轴环上节点的Z向位移曲线座环，

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可以清楚地看到，位移是周期性的，因为该模型是通过使用

目的是在Z方向施加应力。对于轴环节点，波峰是与滚子接触瞬间的位移，波谷是距离滚子最远的位移。由于运动过程中间隙变化和应变的影响，整个曲线有下移的趋势。滚道节点的情况也是峰为接触力矩，谷为离滚子最远的力矩的情况。

4结论

首先，根据仿真的实际情况，制作了水轮机推力轴承

麦克·海因

建立一个自动化，二月2015，44(1):38