基于动网格方法的不同油膜厚度下静压轴承承载特性分析

张艳芹+孔祥滨+郭丽丽+程海阔+李锐

摘 要：针对重型装备制造业中重型静压轴承承载特性的研究，考虑到不同工况下间隙油膜厚度对静压轴承承载能力及压力分布的影响，建立了静压轴承间隙油膜三维模型及边界条件，利用CFD（computational fluid dynamic）原理，应用动网格技术和FLUENT軟件，探讨静压轴承转速为10r/min以及在空载0t、有载40t、满载150t不同工况下，油膜厚度变化对压力场以及油腔压力值的影响规律。结果表明：油腔压力随着间隙油膜厚度的减小而增大，当油膜减小到一定值时，油腔压力显著增加，油膜承载能力显著增强。

关键词：静压轴承；CFD；动网格；承载特性

DOI：10.15938/j.jhust.2017.06.004

中图分类号： TH133.3

文献标志码： A

文章编号： 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

本文研究的重型静压轴承用于重型数控装备制造业中，静压轴承的原理早在19世纪就被发现，但直到20世纪50年代才在发达国家兴盛起来。我国从50年代后期开始液体静压轴承的应用研究工作，60年代初开始在金属切削机床上推广应用[1]。液

体静压轴承因其能提供广泛的油膜厚度以及较高的油膜刚度，具有功率损耗小，低转速下工作平稳等特点被广泛应用到重型装备制造业中并成为核心部件。

近年来，对于静压轴承的研究，国外学者考虑到静压轴承结构参数变化对轴承承载性能的影响进行了理论与实验探究。2002年，SATISH对不同油腔形状的静压轴承的静态和动态性能进行了理论分析，探究了其对静压轴承承载性能的影响[2]。GRABOVSKII在负载和转速恒定的条件下运用变积分的方法研究了气体静压推力轴承最大承载能力下的最佳间隙[3]。文[4]通过求解雷诺方程，并用有限元法计算了轴承间隙中速度场和压力场，研究了节流器的尺寸和油腔的几何形状对静压轴承的流态及压力分布的影响。文[5]研究了流体在稳流和湍流状态时，对液体静压轴承动静态参数的影响，涉及到刚度和阻尼特性的研究。

国内学者从事静压轴承技术的研究开始于20世纪50年代后期，文[6-11]对椭圆油腔和扇形油腔的静压轴承静止状态时的流场进行仿真，指出扇形油腔结构的静压轴承要优于椭圆油腔。2006年刘宾等采用有限差分法，对径向空气轴承的压力场进行了二维数值仿真，得到了在不同偏心率下的压力场分布图[12]。2009年YU X J等建立了大尺度静压轴承液-固态耦合数值分析模型，给出了空心同轴和鼓状内衬的最大应力位置，得出由于空心同轴和鼓状内衬的变形，导致油膜最薄厚度减少了12.1%[13]。2011年哈尔滨工业大学的汪圣飞对径向推力轴承的静、动态性能展开了研究，并运用Fluent软件进行计算，得到了轴承气膜中压强以及气体流速的分布情况并进行了实验验证[14]。王幸福建立流体动力润滑的数学模型对轴承润滑特性进行研究，得到不同磨损状态下的轴承油膜的润滑特性[15]。上海大学的李松生、周鹏等利用超高转速电主轴结构，通过改变供油量和转速等状态参数，进行了轴承润滑性能的试验研究[16]。唐健研究了静压轴承节流器对轴承承载能力及油膜刚性的影响，采用四种不同的节流方式进行比较验证[17]。

从以上国内外学者研究综述可以看出，对于静压轴承的研究主要还是侧重于结构参数变化对润滑特性及承载性能的影响，而对于高速重载多油垫静压轴承在油膜厚度变化过程中的承载特性的研究较少。本文在团队前期研究基础上[18-20]，基于有限体积法和动网格技术对静压轴承间隙油膜进行了动态模拟，文中研究转速10r/min，分别在空载、有载、满载工况下，对不同油膜厚度下静压轴承的承载性能数值计算，得到了不同承载条件下油膜厚度变化对压力场以及油腔压力值的影响的变化规律，研究结果为重型静压轴承设计计算方面的提供理论参考。endprint

1 油膜模型及基本假设条件

1.1 油膜模型

静压轴承间隙油膜整体上采用圆环形油垫润滑型式，圆周上共包括24个油腔，并且在圆周上呈周期对称分布。根据工厂实际应用的尺寸数据对重型静压轴承间隙油膜三维模型进行建模。静压轴承间隙油膜三维模型如图1所示，其中包括油腔、封油面、回油槽、油膜、入油孔等组成部分。

1.2 基本假设及计算条件

基本假设及计算条件：①工作介质为不可压缩流体且流态为三维非定常流动；②流体流过进油孔，经计算雷诺数Re<1000，故进油孔内部流态为层流；流体进入油腔后，工作台与导轨之间经计算雷诺数Re<2300，导轨内部为层流状态；③油膜厚度变化为线性变化；④旋转过程中，不考虑工作台及底座的热变形。

2 油膜数学模型

文中所研究的重型机床尺寸很大，故将多油垫扇形腔简化成矩形单腔平面油垫结构来计算，单个油垫结构尺寸如图2所示，图中阴影部分面积为有效承载面积，其中R1、R2、R3、R4、φ1、φ2为静压工作台单个油垫的结构尺寸，L、l、B、b为简化后矩形单腔平面油垫结构尺寸。

通过上式可以看出，运行时静压轴承承载特性在采用定量方式供油时，支承的承载能力不仅和静压导轨上油腔及封油边的几何结构尺寸有关，还和油膜厚度以及油液的粘度有关。

3 数值计算及边界条件

3.1 边界条件设置

在設置边界条件时，计算模型为压力基隐式求解器，流动入口设置为速度进口边界，出口设置选用压力出口，流动出口静压为大气压。

根据工程实际运用UG建模软件进行三维仿真模型的创建，导轨上周期性沿圆周方向阵列着24个油垫，各个油垫中流体的流动状态及流动特性相同，为了便于进行数值模拟分析，工作台油膜整体被简化成周期性油垫模型如图3所示。

为了研究在高速条件下，静压工作台间隙油膜厚度变化对压力场的影响，选取比较有特征的截面来进行分析，为此以进油孔轴线为基准进行周向AA截面，如图4所示。

3.2 数值模拟及结果分析

重型静压轴承间隙油膜压力场反映出支承的承载性能，本文基于有限体积法和动网格技术对静压轴承间隙油膜进行了动态模拟，得到了不同承载条件下油膜厚度变化对压力场以及油腔压力的影响规律。根据重型静压轴承实际工作中的承载情况，研究转速10r/min，分别在空载、有载、满载工况下即载荷为0t、40t、150t三种工况时，不同膜厚下静压轴承的承载性能。

由于篇幅有限，本文给出空载和满载两种载荷工况膜厚为0.12mm和0.04mm的油膜压力场，油膜压力场瞬态计算结果如图5～6所示，其余工况见结果分析折线图，压力分布图中压力单位为Pa。

由计算结果可知，空载及满载条件下，油腔内的压力场呈现均匀分布，压力值沿着出口方向逐渐减小。

为了更清楚表达出不同载荷下，油膜承载能力与膜厚的关系，得出油膜厚度变化过程中油腔压力变化折线图如图7所示。

由上述关系曲线可知，油膜厚度对轴承承载能力影响较大，随着膜厚的减小油膜压力逐渐增大，当油膜厚度低于0.06mm时，随着膜厚的减少，油膜承载能力急剧增强。

4 结 论

1）本文通过采用有限体积法及动网格技术对静压轴承进行数值模拟计算，得到了静压轴承内部压力场的分布，为探究流体内部压力分布提供了可靠的研究方法，提高了计算精度。

2）通过模拟静压轴承油膜压力场可知，空载、有载及满载条件下，油腔内的压力场呈现均匀分布，压力值沿着出口方向逐渐减小。

3）通过计算不同油膜厚度下的油腔压力值可知，油膜厚度对轴承承载能力影响较大，随着膜厚的减小油膜压力逐渐增大，当油膜厚度低于0.06mm时，随着膜厚的减少，油膜承载能力急剧增强。

参 考 文 献：

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（编辑：关 毅）endprint