高速精密軋輥磨床動靜壓軸承的流固耦合分析

李訓波

摘要：工業(yè)化建設進程不斷推進的新市場經(jīng)濟常態(tài)下，為全面提升企業(yè)的市場核心競爭力，將軋輥磨床應用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)已迫在眉睫為此本文就通過采用“流固耦合分析法”，就動靜壓軸承裝配體的結構靜力學展開了系統(tǒng)化剖析。

關鍵詞：高速精密磨床；動靜壓軸承；流固耦合分析

引言：與傳統(tǒng)靜壓軸承和動壓軸承的油膜軸承相比，液體動靜壓軸承在使用過程中具有損耗量低、承載力高以及使用壽命長的顯著優(yōu)勢，此外相比其它機械設備，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)還保證了作業(yè)范圍以及作業(yè)動態(tài)性能，因此為對動壓滑動軸承油膜和軸瓦進行系統(tǒng)化剖析，現(xiàn)階段將“流固耦合”分析法實踐其中，在確保靜力學分析數(shù)據(jù)精準度的基礎上，推動了產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

一、建模

（一）軸承結構和網(wǎng)格劃分

就目前來看在進行建模作業(yè)操作時，需對原有軸承進行重新設計，確保其在滿足主軸高速運轉作業(yè)要求的基礎上擴大液體動靜壓軸承的應用范圍和運行效率，具體設計如下圖所示：

與傳統(tǒng)軸承相比，這種軸承最大的特點在與它是可調(diào)式的，根據(jù)圖1可知，軸承的表面有四個錐形肋板均等分布，且每個錐形肋板上都配備一個軸承套用以推動推板。在向左或向右寧東過程中，軸承也會隨之向左或向右移動。圖2軸承與油膜流固耦合面參數(shù)，將兩者進行對比分析可知動靜壓軸承裝配體有著較多的數(shù)量，但彼此之間的配合較為緊密，形狀也十分規(guī)則，因此在進行劃分時需盡量采用六面體網(wǎng)格劃分，在借助“流固耦合”分析法進行分析時，為減少工作人員的計算量，需采用2mm網(wǎng)格，并以流固耦合面為基礎對網(wǎng)格結構以及靜力學進行系統(tǒng)化剖析，因此確保數(shù)據(jù)分析結果的精準度和科學性。

（二）油膜結構和網(wǎng)格劃分

就目前來看，通過圖3和圖4可知，在對油膜結構進行網(wǎng)格劃分的過程中，為確保劃分的科學合理性，工作人員需明確了解的數(shù)據(jù)主要有主軸直徑、最大偏心距以及最大偏心率。在劃分時采取的主要軟件是Gambit，據(jù)了解可知由于軸承模型油膜厚度較薄且是主要的承壓區(qū)，通常在進行網(wǎng)格劃分時主要將軸承油膜劃分為靜壓腔油膜、過油槽油膜以及進油孔油膜，劃分數(shù)量分別是4、4、8。在進行軸承劃分過程中，對于可采用Map網(wǎng)格劃分的區(qū)域?qū)⑵鋭澐譃镠ex六面體網(wǎng)格；但由于封油面厚度薄且彎曲弧度大，因此不能用Map網(wǎng)格進行劃分，對于上述區(qū)域則一般使用Submap的網(wǎng)格劃分方式進行劃分。

二、軸承油膜應力場分析

通過采用“流固耦合分析法”對動靜壓軸承裝配體結構靜力學展開系統(tǒng)化剖析，為確保剖析數(shù)據(jù)的精準度和科學性，現(xiàn)階段應用頻率最高的軟件是FLUENT。在對軸承油膜應力場進行系統(tǒng)化分析時，基層產(chǎn)業(yè)機構和相關工作人員需嚴格按照如下流程進行分析作業(yè)，即：將Gambit中劃分好的油膜網(wǎng)格保存成msh文件——檢查網(wǎng)格質(zhì)量——利用FLUENT進行油膜應力場仿真——設置相關參數(shù)——設置邊界條件——油膜內(nèi)壁設為運動壁面，油膜外壁設為靜止壁面。通過圖5可知，在同等轉速下油膜應力整體分布不對稱，靠近油膜的出口應力最小；最小油膜厚度位置處的封油面和靜壓腔油膜應力比最大油膜厚度位置處的更大。

三、軸承結構靜力學分析

“流固耦合分析法”對動靜壓軸承裝配體結構靜力學展開系統(tǒng)化剖析時，除了要對油膜應力場進行系統(tǒng)化時，確保軸承結構靜力學分析工作的有序、有效開展也是十分必要的。從某方面而言，為確保分析數(shù)據(jù)的科學合理性，在對軸承結構靜力學進行系統(tǒng)化分析時，基層產(chǎn)業(yè)機構和相關工作人員需嚴格按照如下流程進行分析作業(yè)，即：在Workbench中搭建動靜壓軸承的結構分析模塊——檢查網(wǎng)格質(zhì)量——通過Fluid Flow模塊導入FLUENT中計算的應力場相關文件及數(shù)據(jù)——通過static structural模塊中的importedload功能將FLUENT中油膜應力場的數(shù)據(jù)結果對應添加到動靜壓軸承的內(nèi)表面——進行油膜流暢力分析（已知動靜壓軸承所受力和約束力——在ANSYS Workbench中設定相關參數(shù)——固定軸承結構兩端——在軸承套和端蓋與箱體接觸面處添加位移約束和支承力）。

四、軋輥磨床臥式加工中心轉臺設計方案缺陷問題的優(yōu)化對策

對原分度工作臺進行中心轉化的過程中，為從根本上提高轉化質(zhì)量和轉化效率，工作人員需對卸荷滑動導軌、徑向定心機構和工作臺夾緊機構進行不斷改進，由此在提升轉化質(zhì)量和效率的同時，為預期轉化目標的達成奠定了良好基礎。與原分度工作臺相比，改進后的分度臺構成部分主要包括——工作臺、上滑臺、傳動機構及齒輪副、軸向推力圓柱滾子軸承、徑向定心及拉緊機構、工作臺夾緊機構等，具體結構如圖1所示。從某方面而言，臥式中心轉臺設計優(yōu)化方案其實是在工作臺外形及尺寸不變的情況下，通過簡化其制造、裝配、調(diào)整、測試流程來提高定位精度和作業(yè)可靠性的一種現(xiàn)代結構優(yōu)化模型。

通過對比原分度工作臺以及優(yōu)化后的工作臺可知，優(yōu)化后的工作臺承載導軌采用卸推力圓柱滾子軸承（P5）支承導軌，相比卸荷滑動導軌，卸推力圓柱滾子軸承（P5）支承導軌表面無需刮研，在進行安裝過程中不僅降低了安裝作業(yè)難度，與此同時在推動產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中也發(fā)揮了重要性作用。除此之外軸承采用脂潤滑，簡化了潤滑回路，在后期的長期使用過程中，工作人員只需要定期進行維護即可。

徑向定心機構和拉緊機構環(huán)套集成作為工作臺的重要構成部分，在工作臺作業(yè)過程中發(fā)揮了重要作用，與原分度工作臺相比徑向定心機構和拉緊機構環(huán)套集成在簡化工作臺中心結構的同時，還從根本上改善了企業(yè)作業(yè)的工藝性，為預期作業(yè)目標的達成奠定了良好基礎。就目前來看徑向定心采用一套圓柱滾子軸承，工作臺松開、夾緊時徑向游隙變化極小，切實保證了定位精度，與此同時軸承內(nèi)、外圈軸向可作微量相對移動；拉緊機構采用中心下拉方式，由一個拉緊油缸組成，與原結構相比，拉緊力均勻、恒定，可無級調(diào)節(jié)，此外優(yōu)化后的工作臺夾緊油缸中心直徑也變大，在后期使用過程中可提供更大的鎖緊力矩。

結束語

概而總之，這種軸承在使用過程中，由于使用的是綜合了靜壓軸承和動壓軸承特點的液體動靜壓軸承，因此確保機械具有損耗量低、承載力高以及使用壽命長的顯著優(yōu)勢，為對動靜壓軸承裝配體的結構靜力學展開了系統(tǒng)化、精準化測量，將“流固耦合分析法”，應用其中現(xiàn)已迫在眉睫。

參考文獻：

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