不同腔形結(jié)構(gòu)靜壓軸承油膜溫升特性對比分析

郭玉鵬　張艷芹　鄧力源　張海霞

摘 要：靜壓軸承間隙潤滑油膜的溫升是導(dǎo)致軸承本體變形的主要因素，為了探究不同腔形結(jié)構(gòu)下靜壓軸承油膜溫升特性，對工程實際應(yīng)用較廣泛的扇形油腔、橢圓形腔、矩形油腔、工字形油腔四種腔形結(jié)構(gòu)靜壓軸承油膜溫度場數(shù)值計算，并對相同工況條件下等腔面積的四種腔形結(jié)構(gòu)靜壓油膜溫升特性進行了對比分析。結(jié)果表明：矩形腔和扇形腔靜壓推力軸承油膜溫度場分布情況相似，與橢圓形和工字形腔不同，溫升由高到低依次為工字形腔、橢圓形腔、扇形腔和矩形腔。該研究結(jié)果可為靜壓軸承熱變形預(yù)測提供理論依據(jù)，并為工程中油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：靜壓軸承；熱變形；潤滑油膜；溫升特性

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.010

中圖分類號： TH133.3

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0055-04

Abstract：The temperature rise in the clearance oil film of the hydrostatic bearing is the main factor for the deformation of bearing body. In order to study the temperature rising characteristics of hydrostatic bearing oil film under different cavity structure， this paper calculated the temperature field of the hydrostatic bearing oil film with four different cavity structures： sector cavity， elliptical cavity， rectangular cavity and Isection cavity， which are widely used in engineering practice， and made a comparative analysis of temperature rising characteristic of hydrostatic bearing oil film with the four kinds of cavity structures under the hydrostatic bearing running in the same conditions and equivalent cavity areas. The results show that， the rectangular cavity and the sector cavity have a similar temperature field distribution of the hydrostatic bearing oil film， which is different from that of elliptical cavity and Isection cavity， and the temperatures rise from high to low is Isection cavity， elliptical cavity， sector cavity and rectangular cavity. The research results can provide a theoretical basis for the prediction of thermal deformation of hydrostatic bearing， and also provide as reference for the engineering design of oil cavity structure.

Keywords：hydrostatic bearing； thermal deformation； oil film； temperature rising characteristics

0 引 言

液體靜壓軸承的潤滑方式為流體膜潤滑，屬于全液體摩擦軸承，具有摩擦系數(shù)極低、啟動功率極小、支撐精度高、油膜剛度大、效率高、抗振動及使用壽命長等優(yōu)點，因而在機床制造業(yè)中得到較快的發(fā)展和應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外已將液體靜壓軸承及動靜壓軸承應(yīng)用于動力機械、軍事裝備、航空航天、冶金電力設(shè)施及核工業(yè)中。

本文所研究的多油墊式靜壓軸承由于其結(jié)構(gòu)尺寸大，多用于重型數(shù)控裝備制造業(yè)中，與普通靜壓支承比較，在具有普通靜壓支承的一系列特點外，還具有承載能力強，線速度高，發(fā)熱量大等特點，由此，靜壓軸承間隙潤滑油膜的溫升是導(dǎo)致軸承本體受熱不均產(chǎn)生變形的主要因素。

近年來，關(guān)于靜壓軸承熱影響方面研究主要如下，學者江云、侯國安等針對液體靜壓導(dǎo)軌熱特性進行有限元分析，建立了液體靜壓導(dǎo)軌動導(dǎo)軌有限元模型，根據(jù)動導(dǎo)軌在不同工作環(huán)境下做不同運動時產(chǎn)生的熱變形[1]。學者蘇浩以液體靜壓主軸為研究對象，針對其主軸的流體-結(jié)構(gòu)耦合進行分析，分析了溫度場和壓力場對液體靜壓主軸油膜間隙的影響[2]。學者SATISH對不同油腔形狀的靜壓軸承的靜態(tài)和動態(tài)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[3]。GRABOVSKII在負載和轉(zhuǎn)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[4]。學者呂延軍、虞烈、劉恒、楊沛然、袁春英、楊萍、孟凡明等對軸承熱影響方面均進行了不同程度的研究[5-8]。學者于曉東采用流固耦合的方法，對環(huán)形油墊式靜壓軸承的轉(zhuǎn)臺及底座熱變形進行模擬仿真，最后預(yù)測出了變形后的間隙油膜形狀參數(shù)，并進行了實驗驗證[9-11]。同時該學者又得出靜壓軸承隨著轉(zhuǎn)臺速度升高和承載增大，間隙油膜的慣性流量、剪切和擠壓熱增大，潤滑油粘度下降，致使油膜厚度變薄，將會導(dǎo)致靜壓軸承液體潤滑失效[12-13]。學者邵俊鵬以靜壓推力軸承為研究對象，建立潤滑油膜的粘溫方程，利用有限體積法模擬扇形腔靜壓軸承在不同的轉(zhuǎn)速及油膜厚度下溫度場。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速對靜壓軸承的溫度分布影響較大[14-15]。

本文針對靜壓軸承運行中存在的熱影響問題，在團隊前期研究基礎(chǔ)上[16-20]，基于有限體積法對靜壓軸承間隙油膜進行了模擬計算，在油腔面積及工況相同條件下，選取工程常用的四種油腔形狀油墊形式進行具體研究，從溫升的角度優(yōu)化油腔形狀，通過研究結(jié)果為工程實際油腔結(jié)構(gòu)設(shè)計及油墊形式的選擇提供有價值的理論參考。

1 靜壓軸承工作原理及油膜模型

1.1 靜壓軸承工作原理

文中涉及到的靜壓軸承采用多油墊式圓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，其工作示意圖如圖1所示。靜壓軸承啟動前，由定量油泵將油箱中的液壓油經(jīng)過多點分油器輸送到圓導(dǎo)軌上的各個油墊中，通過油腔和回油槽之間的壓力差，將工作臺與工件頂起，實現(xiàn)工作臺與底座之間的全液體摩擦。

1.2 油膜模型

靜壓軸承間隙油膜整體上采用圓環(huán)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(jù)工廠實際應(yīng)用尺寸數(shù)據(jù)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2所示，其中油墊模型內(nèi)外半徑分別為2320mm、2720mm。

在等油腔面積的基礎(chǔ)上，依據(jù)工程實際常采用的油腔結(jié)構(gòu)，建立了油腔深度相同的扇形、橢圓形、矩形和工字形腔靜壓導(dǎo)軌間隙流體三維模型，如圖3所示。

2 油膜溫升數(shù)學模型

靜壓軸承油膜摩擦功耗基本上全部轉(zhuǎn)換成了油膜溫升，其摩擦產(chǎn)生的功耗主要來源于油膜剪切作用，因此，油膜溫升數(shù)學模型如下：

支承作相對滑動時液體摩擦的功率消耗：

需要指出的是，ΔT是指從封油邊流出的潤滑油的溫度與油池潤滑油溫度之差值，而不是系統(tǒng)的絕對溫升，后者取決于總功耗及散熱條件。

3 數(shù)值計算及結(jié)果對比分析

油膜溫升數(shù)值計算采用計算流體動力學仿真方法和FLUENT軟件計算，計算時采用壓力出口邊界條件，四種油墊形式的油腔深度均為10mm，回油槽深度17mm，入油直徑14mm，入油流量0.098kg/s，轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)且速度為6r/min，在此條件下分別模擬了等油腔面積的扇形腔、橢圓形腔、矩形腔、工字形腔靜壓軸承間隙流體的溫度場。數(shù)值計算結(jié)果如圖4所示。需要說明的是，溫度場等值線分布圖中的溫度單位為熱力學溫度K。

由圖4可以看出，矩形腔和扇形腔靜壓軸承油膜的溫度場分布比較相似，高溫帶均分布在油墊左側(cè)封油邊區(qū)域，橢圓形腔高溫帶分布在油墊左側(cè)封油邊以及內(nèi)外側(cè)封右邊區(qū)域，工字形油腔高溫區(qū)域較不同，分布在兩個油腔之間的封右邊區(qū)域。

4種形腔靜壓軸承油膜溫度最高值如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可以看出，在轉(zhuǎn)速較低情況下，靜壓油膜溫升由高到低的順序依次是工字形腔、橢圓形腔、扇形腔和矩形腔。

從理論公式分析可知，靜壓油膜的熱量主要是通過潤滑油流動循環(huán)散熱，即油膜封右邊各處的溫升情況是油膜剪切發(fā)熱與潤滑油流量共同作用的結(jié)果。考慮到靜壓軸承油膜流量主要是剪切流量與壓差流量共同作用，得出的其模擬結(jié)果的高溫區(qū)域均是油膜流動較慢的區(qū)域，這一模擬結(jié)果與理論分析吻合，較好的反應(yīng)出了4種靜壓軸承的溫度分布規(guī)律。實現(xiàn)對靜壓軸承油膜溫度場的預(yù)測，為進一步研究靜壓軸承工作臺和底座熱變形打下良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

本文通過采用數(shù)值模擬方法對靜壓軸承間隙油膜進行研究，得到了扇形油腔、橢圓形腔、矩形油腔、工字形油腔四種常用腔形結(jié)構(gòu)靜壓軸承油膜溫度分布，為后期不同油腔形式下靜壓軸承熱變形計算提供了理論依據(jù)。

在轉(zhuǎn)臺為6r/min轉(zhuǎn)速較低情況下，靜壓油膜最高溫度由高到低的順序依次是工字形腔、橢圓形腔、扇形腔和矩形腔。文中模擬結(jié)果與理論分析吻合，為工程實際靜壓軸承油墊油腔形式的選擇提供理論參考。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）