基于動網格方法的不同油膜厚度下靜壓軸承承載特性分析

張艷芹+孔祥濱+郭麗麗+程海闊+李銳

摘 要：針對重型裝備制造業中重型靜壓軸承承載特性的研究，考慮到不同工況下間隙油膜厚度對靜壓軸承承載能力及壓力分布的影響，建立了靜壓軸承間隙油膜三維模型及邊界條件，利用CFD（computational fluid dynamic）原理，應用動網格技術和FLUENT軟件，探討靜壓軸承轉速為10r/min以及在空載0t、有載40t、滿載150t不同工況下，油膜厚度變化對壓力場以及油腔壓力值的影響規律。結果表明：油腔壓力隨著間隙油膜厚度的減小而增大，當油膜減小到一定值時，油腔壓力顯著增加，油膜承載能力顯著增強。

關鍵詞：靜壓軸承；CFD；動網格；承載特性

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.004

中圖分類號： TH133.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）06-0020-04

Abstract：Research on the bearing characteristics of heavy hydrostatic bearing in heavy equipment manufacturing industry， considering the influence of film thickness on the bearing capacity and pressure distribution of hydrostatic bearing under different working conditions， 3D model and boundary condition of hydrostatic bearing oil film are established. Discussing the influence of oil film thickness variation on pressure field and oil chamber pressure under hydrostatic bearing running in the noload 0t， load 40t， full load 150t and the rotating speed of 10r/min， by using CFD （computational fluid dynamic） principle， dynamic mesh technology and FLUENT software. The results show that the oil cavity pressure increases with the decrease of oil film thickness， when the oil film decreases to a certain value， the pressure and bearing characteristics of oil cavity increases significantly.

Keywords：hydrostatic bearing； CFD； dynamic mesh； loadbearing characteristics

0 引 言

本文研究的重型靜壓軸承用于重型數控裝備制造業中，靜壓軸承的原理早在19世紀就被發現，但直到20世紀50年代才在發達國家興盛起來。我國從50年代后期開始液體靜壓軸承的應用研究工作，60年代初開始在金屬切削機床上推廣應用[1]。液

體靜壓軸承因其能提供廣泛的油膜厚度以及較高的油膜剛度，具有功率損耗小，低轉速下工作平穩等特點被廣泛應用到重型裝備制造業中并成為核心部件。

近年來，對于靜壓軸承的研究，國外學者考慮到靜壓軸承結構參數變化對軸承承載性能的影響進行了理論與實驗探究。2002年，SATISH對不同油腔形狀的靜壓軸承的靜態和動態性能進行了理論分析，探究了其對靜壓軸承承載性能的影響[2]。GRABOVSKII在負載和轉速恒定的條件下運用變積分的方法研究了氣體靜壓推力軸承最大承載能力下的最佳間隙[3]。文[4]通過求解雷諾方程，并用有限元法計算了軸承間隙中速度場和壓力場，研究了節流器的尺寸和油腔的幾何形狀對靜壓軸承的流態及壓力分布的影響。文[5]研究了流體在穩流和湍流狀態時，對液體靜壓軸承動靜態參數的影響，涉及到剛度和阻尼特性的研究。

國內學者從事靜壓軸承技術的研究開始于20世紀50年代后期，文[6-11]對橢圓油腔和扇形油腔的靜壓軸承靜止狀態時的流場進行仿真，指出扇形油腔結構的靜壓軸承要優于橢圓油腔。2006年劉賓等采用有限差分法，對徑向空氣軸承的壓力場進行了二維數值仿真，得到了在不同偏心率下的壓力場分布圖[12]。2009年YU X J等建立了大尺度靜壓軸承液-固態耦合數值分析模型，給出了空心同軸和鼓狀內襯的最大應力位置，得出由于空心同軸和鼓狀內襯的變形，導致油膜最薄厚度減少了12.1%[13]。2011年哈爾濱工業大學的汪圣飛對徑向推力軸承的靜、動態性能展開了研究，并運用Fluent軟件進行計算，得到了軸承氣膜中壓強以及氣體流速的分布情況并進行了實驗驗證[14]。王幸福建立流體動力潤滑的數學模型對軸承潤滑特性進行研究，得到不同磨損狀態下的軸承油膜的潤滑特性[15]。上海大學的李松生、周鵬等利用超高轉速電主軸結構，通過改變供油量和轉速等狀態參數，進行了軸承潤滑性能的試驗研究[16]。唐健研究了靜壓軸承節流器對軸承承載能力及油膜剛性的影響，采用四種不同的節流方式進行比較驗證[17]。

從以上國內外學者研究綜述可以看出，對于靜壓軸承的研究主要還是側重于結構參數變化對潤滑特性及承載性能的影響，而對于高速重載多油墊靜壓軸承在油膜厚度變化過程中的承載特性的研究較少。本文在團隊前期研究基礎上[18-20]，基于有限體積法和動網格技術對靜壓軸承間隙油膜進行了動態模擬，文中研究轉速10r/min，分別在空載、有載、滿載工況下，對不同油膜厚度下靜壓軸承的承載性能數值計算，得到了不同承載條件下油膜厚度變化對壓力場以及油腔壓力值的影響的變化規律，研究結果為重型靜壓軸承設計計算方面的提供理論參考。endprint

1 油膜模型及基本假設條件

1.1 油膜模型

靜壓軸承間隙油膜整體上采用圓環形油墊潤滑型式，圓周上共包括24個油腔，并且在圓周上呈周期對稱分布。根據工廠實際應用的尺寸數據對重型靜壓軸承間隙油膜三維模型進行建模。靜壓軸承間隙油膜三維模型如圖1所示，其中包括油腔、封油面、回油槽、油膜、入油孔等組成部分。

1.2 基本假設及計算條件

基本假設及計算條件：①工作介質為不可壓縮流體且流態為三維非定常流動；②流體流過進油孔，經計算雷諾數Re<1000，故進油孔內部流態為層流；流體進入油腔后，工作臺與導軌之間經計算雷諾數Re<2300，導軌內部為層流狀態；③油膜厚度變化為線性變化；④旋轉過程中，不考慮工作臺及底座的熱變形。

2 油膜數學模型

文中所研究的重型機床尺寸很大，故將多油墊扇形腔簡化成矩形單腔平面油墊結構來計算，單個油墊結構尺寸如圖2所示，圖中陰影部分面積為有效承載面積，其中R1、R2、R3、R4、φ1、φ2為靜壓工作臺單個油墊的結構尺寸，L、l、B、b為簡化后矩形單腔平面油墊結構尺寸。

通過上式可以看出，運行時靜壓軸承承載特性在采用定量方式供油時，支承的承載能力不僅和靜壓導軌上油腔及封油邊的幾何結構尺寸有關，還和油膜厚度以及油液的粘度有關。

3 數值計算及邊界條件

3.1 邊界條件設置

在設置邊界條件時，計算模型為壓力基隱式求解器，流動入口設置為速度進口邊界，出口設置選用壓力出口，流動出口靜壓為大氣壓。

根據工程實際運用UG建模軟件進行三維仿真模型的創建，導軌上周期性沿圓周方向陣列著24個油墊，各個油墊中流體的流動狀態及流動特性相同，為了便于進行數值模擬分析，工作臺油膜整體被簡化成周期性油墊模型如圖3所示。

為了研究在高速條件下，靜壓工作臺間隙油膜厚度變化對壓力場的影響，選取比較有特征的截面來進行分析，為此以進油孔軸線為基準進行周向AA截面，如圖4所示。

3.2 數值模擬及結果分析

重型靜壓軸承間隙油膜壓力場反映出支承的承載性能，本文基于有限體積法和動網格技術對靜壓軸承間隙油膜進行了動態模擬，得到了不同承載條件下油膜厚度變化對壓力場以及油腔壓力的影響規律。根據重型靜壓軸承實際工作中的承載情況，研究轉速10r/min，分別在空載、有載、滿載工況下即載荷為0t、40t、150t三種工況時，不同膜厚下靜壓軸承的承載性能。

由于篇幅有限，本文給出空載和滿載兩種載荷工況膜厚為0.12mm和0.04mm的油膜壓力場，油膜壓力場瞬態計算結果如圖5～6所示，其余工況見結果分析折線圖，壓力分布圖中壓力單位為Pa。

由計算結果可知，空載及滿載條件下，油腔內的壓力場呈現均勻分布，壓力值沿著出口方向逐漸減小。

為了更清楚表達出不同載荷下，油膜承載能力與膜厚的關系，得出油膜厚度變化過程中油腔壓力變化折線圖如圖7所示。

由上述關系曲線可知，油膜厚度對軸承承載能力影響較大，隨著膜厚的減小油膜壓力逐漸增大，當油膜厚度低于0.06mm時，隨著膜厚的減少，油膜承載能力急劇增強。

4 結 論

1）本文通過采用有限體積法及動網格技術對靜壓軸承進行數值模擬計算，得到了靜壓軸承內部壓力場的分布，為探究流體內部壓力分布提供了可靠的研究方法，提高了計算精度。

2）通過模擬靜壓軸承油膜壓力場可知，空載、有載及滿載條件下，油腔內的壓力場呈現均勻分布，壓力值沿著出口方向逐漸減小。

3）通過計算不同油膜厚度下的油腔壓力值可知，油膜厚度對軸承承載能力影響較大，隨著膜厚的減小油膜壓力逐漸增大，當油膜厚度低于0.06mm時，隨著膜厚的減少，油膜承載能力急劇增強。

參 考 文 獻：

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（編輯：關 毅）endprint