基于計(jì)算機(jī)仿真的潤滑系統(tǒng)性能評估

汪元林 翟歡樂

摘要：針對航空發(fā)動機(jī)潤滑冷卻系統(tǒng)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性能評估手段周期長、效率低的問題，探索基于計(jì)算機(jī)仿真的潤滑系統(tǒng)性能評估方法。以某型航空發(fā)動機(jī)為研究對象，以潤滑系統(tǒng)性能評估中的部件發(fā)熱與滑油溫度作為計(jì)算參數(shù)，評估此發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)性能。通過建立傳動系統(tǒng)力學(xué)模型，對附件傳動系統(tǒng)部件進(jìn)行力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上建立腔室發(fā)熱計(jì)算模型。根據(jù)潤滑系統(tǒng)中滑油流動特性與管網(wǎng)布局，探索潤滑冷卻系統(tǒng)中滑油溫度特性的計(jì)算模型。通過開發(fā)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算軟件，計(jì)算該型發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)腔室發(fā)熱與滑油溫度。分析計(jì)算結(jié)果，根據(jù)各個腔室齒輪、軸承的發(fā)熱量特點(diǎn)，制定并改進(jìn)相應(yīng)的潤滑冷卻方案，根據(jù)滑油冷卻后溫度變化規(guī)律，評估該發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的潤滑冷卻性能，并提供相應(yīng)的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：潤滑性能;部件發(fā)熱;滑油流量;滑油溫度

中圖分類號：V231.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022） 02-0098-04

0 引言

隨著現(xiàn)代航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高，發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)的工作強(qiáng)度以及部件承受溫度在上升。潤滑冷卻系統(tǒng)是保證附件傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要條件。

國外各知名公司和研究機(jī)構(gòu)對潤滑系統(tǒng)的仿真分析技術(shù)的手段已比較完善，先后擁有自主開發(fā)的潤滑系統(tǒng)仿真分析軟件，如美國NASA的SSME[1]，F(xiàn)LOMODL[2]等。工程師可以運(yùn)用這些流體仿真軟件，對潤滑系統(tǒng)內(nèi)部的壓力、流量等流體特性參數(shù)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。英國開發(fā)了流體系統(tǒng)仿真軟件FLOWMASTER[3]，用于對管路系統(tǒng)仿真與建模。德國的工程設(shè)計(jì)師在工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行完善，用計(jì)算機(jī)技術(shù)對潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真建模，實(shí)現(xiàn)對潤滑系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)臺驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性[4]。國內(nèi)針對潤滑冷卻系統(tǒng)也有一定的研究。郁麗，李國權(quán)等[5]針對某型航空發(fā)動機(jī)滑油供油系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)元件的建模，對流量、壓力進(jìn)行了仿真計(jì)算，然而沒有針對系統(tǒng)熱進(jìn)行建模分析計(jì)算?？登?、李世武等[6]根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)法開發(fā)了一款軟件用于計(jì)算系統(tǒng)熱，這種方法計(jì)算精確，但是它耗時較長，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)不適用。李林蔚、高紅霞等[7]改進(jìn)了系統(tǒng)熱耦合下滑油溫度的計(jì)算方法，改進(jìn)了相應(yīng)結(jié)構(gòu)換熱器的設(shè)計(jì)，但是缺少對相應(yīng)部件生熱分析以及潤滑性能分析。

根據(jù)以上分析，國內(nèi)外目前針對潤滑冷卻系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中于仿真平臺的建立、相關(guān)熱系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的整理與應(yīng)用以及潤滑系統(tǒng)中熱流體溫度，鮮少有針對潤滑系統(tǒng)熱流體性能方面的研究，熱流體的性能很大程度上取決于其溫度變化量[8-9]。所以，本文在于通過對潤滑系統(tǒng)發(fā)熱分析，進(jìn)而研究其熱流體溫度變化量，最后分析其性能。能夠?qū)ο嚓P(guān)潤滑系統(tǒng)的性能研究提供參考，并改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)。

1 傳動系統(tǒng)力學(xué)分析

傳動系統(tǒng)力學(xué)分析是齒輪軸承熱分析的基礎(chǔ)。按照軸系力學(xué)理論，整個傳動系統(tǒng)力學(xué)分析過程分為齒輪受力分析、軸承受力分析。

航空發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)中的齒輪一般有4種：直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪、直齒錐齒輪、弧齒錐齒輪，齒輪類型不一樣，受力情況也不一樣[10-12]，如圖1-4所示。

采用理論力學(xué)對軸承進(jìn)行力學(xué)分析。將軸承和軸的系統(tǒng)抽象為簡支梁結(jié)構(gòu)，一般分為兩支點(diǎn)、三支點(diǎn)、四支點(diǎn)簡支梁結(jié)構(gòu)[13-14]，如圖5-7所示。

2 腔室部件發(fā)熱計(jì)算

航空發(fā)動機(jī)中的高速軸是由軸承支撐的，軸承內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動，由于摩擦產(chǎn)生熱量。高速軸承承載高，轉(zhuǎn)速快，摩擦劇烈，產(chǎn)生熱量的速度比中低速軸承快。

2.1 軸承發(fā)熱計(jì)算

中低速軸承由于軸承摩擦引起的功率損失[15]為：

H= πnM/30=1.047×10 -4M.n

（1）

高速軸承功率損失的計(jì)算時，球軸承和圓柱滾子軸承計(jì)算方法有所區(qū)別[16]。

球軸承功率損失：

Q= Czpd2U3（2）

圓柱滾子軸承功率損失：

Q= cpzpt2u3（3）

2.2 齒輪發(fā)熱計(jì)算

齒輪嚙合轉(zhuǎn)動時由于載荷產(chǎn)生摩擦，發(fā)熱不可避免，發(fā)熱量的計(jì)算也采用功率損失模型。

一對嚙合齒輪的功率損失計(jì)算式[17]為：

P=Ps+Pr+Pw，+Pw2

（4）式中：Ps、Pr、Pwl、Pw2：分別為齒輪副的滑動摩擦功率損失、齒輪副的滾動摩擦功率損失、嚙合齒輪中主被動齒輪的風(fēng)阻損失。

3 滑油溫度計(jì)算

在已知滑油系統(tǒng)各個齒輪副、軸承的發(fā)熱量的情況下，若想計(jì)算整個滑油系統(tǒng)的滑油溫度，則需要對滑油系統(tǒng)各個腔室滑油流動關(guān)系進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系建模，然后求出各個腔室進(jìn)口滑油流量以及溫度。

腔室內(nèi)滑油吸熱有兩種情況：（1）沒有噴嘴，所以發(fā)熱部件均為飛濺、浸潤等方式進(jìn)行冷卻;（2）有噴嘴潤滑。如圖8所示。

沒有噴嘴的情況，假設(shè)腔室內(nèi)部件的發(fā)熱量均由滑油帶走，則滑油溫度會經(jīng)過一次加溫對于第二種情況，從噴嘴中噴入腔室的滑油對發(fā)熱部件第一次進(jìn)行冷卻后，流入其他腔室再次冷卻其他部件。

4 潤滑系統(tǒng)滑油溫度評估

針對航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)性能相關(guān)參數(shù)計(jì)算開發(fā)程序，以快速精準(zhǔn)地計(jì)算整個系統(tǒng)的發(fā)熱以及各個腔室滑油溫度，從而為潤滑冷卻性能分析提供客觀依據(jù)。開發(fā)流程如圖9所示。

整個傳動系統(tǒng)可以劃分為多個腔室以確定齒輪軸承的位置以及滑油潤滑路線。由部件之間、部件與腔室之間以及腔室與腔室之間的拓?fù)潢P(guān)系來確定參數(shù)計(jì)算順序及傳遞。

4.1 計(jì)算條件

將該型發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)劃分為上部傳動腔室、中部傳動腔室、下部傳動腔室。輸入條件分為傳動系統(tǒng)輸入條件以及腔室輸入條件。傳動系統(tǒng)中需要給定部件幾何參數(shù)，確定部件相互間的連接關(guān)系以及位置關(guān)系，給定軸承在軸上的相對坐標(biāo)以及齒輪嚙合點(diǎn)的坐標(biāo)。傳動腔室部件的受力和發(fā)熱條件給定，轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速和功率默認(rèn)已知，腔室輸入條件需要給定腔室的物理幾何條件，給出傳動系統(tǒng)部件在各個腔室中的分布。確定滑油在各個腔室間的流動關(guān)系，建立腔室連接件模型，以便判斷腔室相互間滑油傳輸關(guān)系。給定噴嘴在各自腔室中的分布，將噴嘴滑油流量作為初始流量條件，將上部、下部以及斜傳動腔室的進(jìn)口溫度作為初始溫度條件。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

4.2.1 上部傳動腔室

該腔室總共5對齒輪副，8個齒輪，13個軸承。腔室內(nèi)齒輪總發(fā)熱量為140.95 W，軸承總發(fā)熱量為433.31 W。不同的滑油供油條件下的上部傳動腔隨著供油量的提高，滑油溫度降低，冷卻效果顯著。在初始溫度為80℃的情況下，滑油流出腔室時溫度為97.7-103.4℃。滑油溫度在正常范圍內(nèi)，潤滑冷卻性能滿足要求。軸承發(fā)熱量較高，應(yīng)該加強(qiáng)潤滑。室內(nèi)滑油溫度如圖10所示。

4.2.2 中部傳動腔室

該腔室是發(fā)動機(jī)主軸腔室，軸不多，齒輪軸承數(shù)量較少，只有2對齒輪副，3個齒輪以及5個軸承。腔室內(nèi)齒輪總發(fā)熱量為326.01 W，軸承總發(fā)熱量為810.69 W。腔室發(fā)熱在不同供油條件下的變化趨勢如圖11所示。隨著供油量的增加，滑油潤滑冷卻更快，滑油溫度降低，與腔室外空氣溫差變小，導(dǎo)致腔室壁面散熱量在減少，腔室內(nèi)總熱量增加。

不同的滑油供油條件下的中部傳動腔室內(nèi)滑油溫度如圖12所示。隨著供油量的提高，滑油溫度降低，冷卻效果顯著。在初始溫度為83℃的情況下，滑油流出腔室時溫度為89.10C-91.6℃。雖然中部傳動腔室內(nèi)軸承齒輪少，但是由于其轉(zhuǎn)速高，所以發(fā)熱量很大。但是其供油量比較大，在部件發(fā)熱量大的情況下滑油潤滑冷卻部件后溫度不高，所以潤滑性能較高。

4.2.3下部傳動腔室

該腔室有6對齒輪副，7個齒輪，11個軸承。腔室內(nèi)齒輪總發(fā)熱量為52.60 W，軸承總發(fā)熱量為410.58 W。下部傳動腔室雖然齒輪軸承數(shù)量較多，但其經(jīng)過幾次降速轉(zhuǎn)速不高，發(fā)熱量不是很大。該腔室的滑油都是其他腔室已經(jīng)進(jìn)行了冷卻潤滑的滑油，已經(jīng)進(jìn)行了一次吸熱。不同滑油初始溫度下，冷卻后的滑油溫度變化趨勢如圖13所示。

滑油的溫度隨著初溫的增加而增加，這與滑油吸熱后的溫度變化規(guī)律相一致。適當(dāng)?shù)販p小滑油的初始溫度，滑油冷卻后的溫度就會相應(yīng)地降低，潤滑冷卻性可以得到提高。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)潤滑系統(tǒng)性能評估所需要的參數(shù)開發(fā)了計(jì)算程序。針對某型航空發(fā)動機(jī)附件傳動系統(tǒng)劃分傳動腔室，分別對每個腔室進(jìn)行仿真計(jì)算，得到部件發(fā)熱量、腔室總熱量以及滑油溫度，分析如下。

（1）建立潤滑系統(tǒng)部件發(fā)熱、滑油冷卻溫度的分析計(jì)算理論，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了快速高效地潤滑系統(tǒng)整體計(jì)算程序。

（2）針對某型航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，計(jì)算其各腔室內(nèi)部件發(fā)熱量及冷卻滑油溫度，為潤滑系統(tǒng)的性能評估提供參考。

（3）從腔室部件發(fā)熱量結(jié)果來看，中部傳動腔室發(fā)熱量最大，需要向其提供足夠的潤滑油量。每個傳動腔室中，軸承發(fā)熱量比齒輪發(fā)熱量大，需要加強(qiáng)潤滑和冷卻。

（4）隨著供油量的增加，冷卻后的滑油溫度會降低，其潤滑性能有所提高。滑油初始溫度降低，經(jīng)過部件潤滑冷卻后，滑油溫度也會有所降低，所以可以適當(dāng)降低滑油初溫。

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