基于CFX的磨床用液体静压轴承数值模拟
2016-11-15张晋琼
张晋琼
（山西工程技术学院， 山西 阳泉 045000）
基于CFX的磨床用液体静压轴承数值模拟
张晋琼
（山西工程技术学院， 山西 阳泉 045000）
以实验室研制的高效磨床用液体动静压轴承系统为例，采用三维建模软件Pro/e对轴承油膜进行三维建模，通过建模软件与有限元软件间的中间格式igs，应用ANSYS-Mesh对导入的有限元模型进行分块、单元网格划分与局部网格细化，利用计算流体动力学软件CFX对静压轴承的油膜进行稳态分析，得到油膜上的压力场、流场和速度场分布，对该类型的静压轴承的流体动力学的快速分析提供参考，对后续研究静压轴承及磨床的转子动力学分析提供理论基础。
CFX 磨床 静压轴承 数值模拟
高速磨削是通过砂轮的高速旋转来实现材料的去除，材料的去除率和磨削质量与磨床结构以及轴承的布置等有关，静压轴承由于其精度高、刚度大、使用寿命长、吸振抗振性能好，广泛用于精密加工及高速、高精度设备的主轴。同时，采用动静压轴承可以补偿由于主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面精度，提高机床主轴精度和切削效率并可多年连续使用而不需维修［1］，因此磨床主轴主要采用液体静压轴承作为主轴支撑。
在静压轴承体系中，节流器是恒压供油静压轴承中的一个关键部件，它起到了调节油腔内压力的作用，使恒压供油静压轴承具有相应的承载能力和油膜刚度。在静压轴承节流器中主要由固定式节流器和可变节流器两种［1］。固定式节流器中主要有小孔、毛细管、缝隙节流器。由于小孔、毛细管及缝隙具有一定的阻抗作用，黏性流体在流经小孔节流或毛细管时产生压力降，从而利用此特点来制造固定式节流器。流体动力学软件CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件［2］，采用了基于有限元的有限体积法，在保证有限体积法的守恒特性的同时吸收了有限元法的数值精确性，可以计算包括可压流体、不可压流体、热耦合、热辐射、多相流、粒子传输过程以及化学反应及燃烧等问题。文章采用三维建模软件Pro/e对采用小孔节流技术的静压轴承建模，应用流体动力学软件CFX液体静压轴承的流场、速度场和压力场进行分析。
1 模型的建立
实验室磨床用液体静压轴承的实体结构如图1所示，轴承主要由轴承壳体、油腔及铜套等组成。
图1 静压轴承物理模型
建立有限元模型的方法可以在ANSYS中建立，也可以通过三维建模软件对系统实体建模，再通过与ANSYS分析软件间的接口分析软件进行分析。由于ANSYS的建模能力有限，过程繁琐，液体静压轴承结构有油槽与进油口，结构相对复杂，在ANSYS中建模不如Pro/e三维建模软件便捷。文章利用Pro/e建模可以大大简化在分析软件中建模的过程，使ANSYS和Pro/e可以发挥各自优势，实现优势互补。为方便划分网格以及快速求解，去掉所有不重要因素并在三维建模软件中建立油膜的三维模型，由于流体动力学分析会占用很大的计算内存，所以在分析时本文对模型进行对称处理，即只建立油膜轴承的一半，作为对称界面即可，节省计算机计算时间，提高计算效率，Pro/e建立的镜像油膜模型如图2所示。
图2 静压轴承油膜三维建模
2 数值计算方法
2.1 基本理论
任何液体流动都必须遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律。该物理模型的流动规律符合以下方程［3］：质量守恒方程
动量守恒方程
能量守恒方程
控制方程中物理量含义：ρ为流体密度；t为时间；v为速度；P为压强；f为体积力；μ为分子黏性系数；λ为传热系数；T为温度；下脚标i、j、k分别代表笛卡尔坐标系x、y、z方向。
2.2 基本参数
根据实验室磨床用静压轴承实例，该型号磨床的静压轴承主要结构参数如表1所示。
表1 静压轴承结构参数
2.3 网格划分
对导入ANSYS的静压轴承三维模型采用扫拐网格划分方法进行网格划分（如图2所示），根据需要对网格划分进行密度控制。由于静压轴承的厚度相比直径、宽度均相差104个数量级，油膜厚度为0.05 mm，直径为200 mm，所以需要进行分块以便进行局部网格设置，把油膜、油槽和注油口等分别进行分块，然后采用各自的划分网格划分方法进行油膜网格划分与局部细化，如图3所示［4］。
图3 油膜网格划分与局部细化
2.4 材料性能的定义
把网格模型导入流体动力学分析软件CFX，CFX典型计算过程包括添加流体属性、设置边界条件、求解分析三个阶段。由于该结构采用的进油系统具有冷却主轴油的功能，所以在分析过程中不考虑主轴油的黏度随温度发生的变化［5］。所使用润滑油参数如表2所示。
表2 润滑油参数
2.5 边界条件的设置
根据静压轴承实际工况，采用如下的边界条件，如图4所示。
图4 边界条件设置示意图
1）入口边界。由于采用恒压力进油，在轴承油膜的上下节流器入口处选择压力入口边界条件，在模拟过程中采用进油压力Ps=5 MPa。
2）出口边界。静压轴承的出口分别为轴承油膜轴向的两个端面，设置出口边界为相对压力条件Pout=0。
3）对称边界。在分析之初，为了减小计算量将油膜沿YZ平面对称分割，只计算1/2模型，故需在油膜的分割面上添加对称边界约束，在比表面上垂直于截面的速度为0，其他物理量相同。
4）域交界面设置。此前为了便于网格划分，将整个流场分割为6个不同的子域，因此需要对分离后的子域进行连接，建立交界面。
2.6 后处理
对前述方程进行求解，以能量方程、连续性方程收敛精度为10-4为精度要求，分别对速度场、流场和压力场进行分析。
3 数值计算结果
油膜流线分布及油膜流场速度矢量分布如图5所示。由图5中流线可以明显看出，主轴油通过上、下节流器流经轴承外沟槽，经由下、上进油口进入下、上工作油腔，经过轴向回油槽流出。由图5中速度矢量可以看出，上、下节流器处进油口速度较高。由于上、下节流处间隙节流作用使该处速度增大，当进入工作油腔后，由于空间增大，主轴油压力迅速降低，速度也随之降低。
图5 静压轴承流场分布
根据模拟计算得到静压轴承压力场分布情况，如图6所示。当供油压力Ps=5 MPa时，分析图6可得知：下工作腔压力普遍高于上工作腔压力，工作油腔边缘沿封油边方向压力逐渐减小；上、下节流器入口处压力较高，油膜两端出口处压力较低。
图6 静压轴承压力分布
4 结论
1）采用三维建模软件建立三维实体模型再导入流体动力学软件CFX，适用于复杂模型的快速建模与流体分析。
2）根据CFX对静压轴承进行流体动力学分析，可得到液体在轴承流场与速度场以及压力场，对静压轴承承载力的计算与校核有着重要意义，为后续轴承的结构优化提供理论基础。
［1］ 钟洪，张冠坤.液体静压动静压轴承设计使用手册［M］.北京：电子工业出版社，2007.
［2］ 丁源，吴继华.Ansys CFX14.0从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2013：18.
［3］ 杜巧连，张克华.动静压液体轴承油膜承载特性的数值分析［J］.农业工程学报，2008（6）：137-140.
［4］ 崔海龙，岳晓斌，雷大江，等.基于ANSYS Workbench的气体静压轴承径向特性分析［J］.润滑与密封，2014（10）：100-103.
［5］ 王智伟，查俊，陈耀龙，等.流固耦合对油静压导轨动静特性的影响［J］.机械工程学报，2014（9）：148-152.
（编辑：胡玉香）
Numerical Simulation of Hydrostatic Bearing for Grinding Machine Based on CFX
ZHANG Jinqiong
（Shanxi Institute of Technology，Yangquan Shanxi 045000）
Taking high-performance grinding machine with liquid hydrostatic bearing system in laboratory research for example，the oil film and spindle model were modeled by Pro/e software，and the model was partitioned by ANSYS-Mesh. The meshing of the mesh and the local network were done by ANSYS-Mesh.The oil film of the hydrodynamic bearing was analyzed by CFX software CFD.The distribution of the pressure field，the distribution of the flow field，and the analysis method can be used to provide a reference for the hydrodynamic analysis of the hydrostatic bearing，which will provide the theoretical basis for the follow-up study of the hydrodynamic analysis of the hydrostatic bearing and grinder.
CFX，grinding machine，hydrostatic bearings，numerical simulation
TH133.35
A
1672-1152（2016）05-0030-03
10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.11
2016-10-08
张晋琼（1982—），男，毕业于太原理工大学大同学院，从事实验室液压方面的技术工作。
