油膜轴承性能计算可视化界面的开发

唐亮，王建梅，康建峰，马立新，薛亚文

(太原科技大学 机械工程学院，太原 030024)

油膜轴承是一种以润滑油为介质的滑动轴承，作为重要的支承元件，广泛应用于中厚板轧机、冷轧机、高速线材轧机及核电发电机组等设备中[1]。动压油膜轴承工作时根据流体动压润滑理论，当安装于轴颈的锥套以一定的速度旋转时，锥套和衬套之间被一层油膜完全隔离开，形成纯液体摩擦状态，能有效减小摩擦和磨损。因此，润滑油膜的工作特性决定着轴承的使用寿命[2]。

油膜轴承性能计算的可视化界面设计是对油膜轴承润滑理论研究的完善与扩展。本例通过Fortran和Visual Basic(简称VB)的混合编程得到了油膜压力在周向和轴向的分布规律，给出了不同工况下沿轴向和周向油膜压力变化曲线的可视化显示。

1 可视化计算的思路

图1所示为油膜轴承可视化计算系统流程。可视化计算界面通过计算轴承的工作性能参数模拟油膜轴承的实际工况。基于VB界面输入或更改计算参数，其中输入参数包括相对间隙、轴承直径、宽径比和偏心率等；输出参数包括最大承载力、最小油膜厚度、偏位角和轧制压力，计算结果以报表形式输出[3]。该系统基于Fortran源程序生成动态链接库DLL，通过VB调用动态链接库进行混合编程，整个计算过程在后台运行，将计算结果返回VB主程序界面，同时绘制油膜压力曲线。该计算系统关键在于动态链接库的建立与子程序的输出[4]。

图1 油膜轴承可视化计算系统流程

1.1 动态链接库的建立

Fortran PowerStation为建立动态链接库提供了全面的支持。建立一个动态链接库包括：生成动态链接库，输出动态链接库中的变量或过程，以供其他程序使用，使其他程序顺利地使用动态链接库[5]。

利用Fortran PowerStation建立动态链接库的步骤如下：

(1)在Microsoft FortranStation4.0的环境下，新建一个类型为Dynamic Link Library的工程并命名；

(2)在该工程中编写Fortran源程序；

(3)编译、建立此源程序，生成动态链接库文件。

1.2 从动态链接库中输出程序

将Fortran编写的计算程序导入动态链接库，首先要在Fortran子程序中声明该子程序为外部子程序，使其能被DLL从外部访问[5]。Fortran程序名必须从DLL中输出且与VB的名字完全匹配。

输入参数类型，INTENT(IN)：：输入参数表；

输出参数类型，INTENT(OUT)：：输出参数表。

1.3 动态链接库的调用

1.3.1 动态链接库DLL的声明

Fortran动态链接库中的子程序或函数过程相对VB系统是个子过程，使用时须指定过程的位置和调用参数，以便编译器找到该过程，生成正确的调用接口，声明可用 Declare 语句提供这类信息。

如果该过程返回一个值，应将其声明为：Declare Function<动态链接库中的子过程名>Lib，<动态链接库中文件路径名>[alis“过程别名”](参数表)。如果过程没有返回值，可将其声明为：Declare Sub<动态链接库中的子过程名>Lib，<动态链接库中文件路径名>[alis“过程别名”](参数表)。

1.3.2 动态链接库DLL的调用

在声明DLL 过程之后，VB将其作为内部过程使用。在声明函数之后，其调用方式与标准的 VB函数相同。需要先定义被调用子程序的过程参数类型，然后赋值，最后使用Call语句调用。调用格式为：Call子过程或函数过程名(实参，…)，其中无参数时，省略括号[6]。

2 可视化界面的开发

2.1 油膜压力计算

油膜压力计算关键在于Reynolds方程的求解。Reynolds方程是流体动压润滑基本方程，普遍形式为[7]

(1)

对于稳态工况的轴承，假设润滑油为不可压缩流体，液体润滑剂密度可视为常数。当润滑油膜的热效应不十分明显时，可视为等温状态，即流体黏度在整个润滑膜中保持不变，可将Reynolds方程简化为

(2)

为计算简便，对Reynolds方程进行如下无量纲化[6]

其中，x为油膜轴承周向长度；z为油膜轴承轴向长度；y为油膜厚度；R为轴承半径；c为半径间隙；L为轴承宽度；ε为偏心率；ω为轴颈自转角速度；η0为入口处润滑油的黏度。

(3)

运用有限差分法解上述偏微分方程，利用有限差分近似值代替导数，把二维偏微分方程转换为一维差分方程，将承载区沿周向展开成矩形区域并划分网格，计算各个节点的压力值[8]。

2.2 油膜压力分布的可视化

将油膜轴承承载区沿周向平均分为M个节点，沿轴向平均分为N个节点，本例设定M=49，N=37，运用有限差分法计算出各网格节点的压力值，然后采用VB绘图，其编程方法为：

(1)在VB界面中创建命令控件1(commandbutton)，标签设定为“绘制压力曲线”；创建命令控件2，标签设定为“清屏”，代码中使用Cls方法清屏[7]。

(2)在VB界面中创建图片框控件(picturebox)，在控件上输出图形并用print方法输出文本，同时设定绘图区域大小，其代码在命令控件1中设置。

(3)用scale方法设定坐标区域大小，使用line方法绘制两坐标轴，横坐标为周向或轴向节点，纵坐标为无量纲压力大小，用print方法输出坐标轴信息，其代码在命令控件1中设置。

(4)创建文本框用以输入所绘制的位置，并在命令控件1中编写代码给变量赋值，在循环语句中写入line语句，从而绘制出压力分布曲线[7]。

输入表1中工况1的参数，点击VB界面“计算”按钮，并点击“绘制压力曲线”按钮，绘制出承载区周向压力分布(图2)和轴向压力分布(图3)；输入工况2的参数，进行与工况1相同的操作，绘制出承载区周向压力分布(图4)和轴向压力分布(图5)。结合工况1和工况2的计算结果，观察可知油膜轴承的受载特征。

表1 油膜轴承输入参数

图2 工况1的周向油膜压力分布

图3 工况1的轴向油膜压力分布

图4 工况2的周向油膜压力分布

图5 工况2的轴向油膜压力分布

(1)选定工况1中周向第19组数据进行绘图(图2)，周向油膜压力分布具有对称性，在0～15节点和35～48节点内数值较小,而且变化平稳；在15～35节点内数值较大；在27节点附近达到峰值，确定该点区域为周向承受轧制力的主要区域。

(2)选定工况1中轴向第30组数据进行绘图(图3)，轴向油膜压力分布均匀且对称，在19节点附近达到峰值，确定该点区域是轴向承受轧制力的主要区域。

(3)分别选定周向第19组数据和轴向第30组数据进行绘图(图4、图5)，油膜压力分布趋势基本相同。对比图4与图2、图5与图3可知，相同节点处在工况2下的油膜压力高于工况1。由此可知，在其他输入参数不变的情况下，油膜压力随着轧辊转速的升高而增大。

3 结束语

本系统可依据不同参数进行计算和绘图，可以直观地显示油膜压力沿周向和轴向的分布规律，能方便地分析出不同工况对油膜压力的影响。将可视化技术作为油膜轴承润滑理论研究的新方法，将会显著地缩短油膜轴承的设计周期，有效降低设计成本。