高速精密轧辊磨床动静压轴承的流固耦合分析

张晓斐，吴怀超，令狐克均，曹刚

（贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

轧辊磨床是现代工业生产中的重要生产设备，生产的轧辊主要应用于冶金、造纸和轧钢等行业[1]，油膜轴承作为轧辊磨床的关键部件，直接决定其使用性能。目前，轧辊磨床中常用的油膜轴承是液体动静压轴承，其综合了静压轴承和动压轴承的特点，具有磨损小，承载能力大，使用寿命长，速度范围宽，动态特性好和刚度高等优点[2－3]。

国内外对动压滑动轴承进行了许多仿真研究[4－8]，重点主要集中在动压滑动轴承运转时油膜的流体分析上[6－8]。文献[9]通过流固仿真软件对动压滑动轴承油膜和轴瓦进行了分析，结果表明，入口压力对油膜压力值的影响很小，油膜压力值和轴瓦变形量随着偏心率的增大而增大。文献[10]用FLUENT软件对不同偏心率下动静压轴承油膜特性进行分析，结果表明，随着偏心率的增加，动静压轴承内表面部分区域应力和应变增大，并出现了应力集中的情况。文献[11]基于两相流理论，考虑润滑油与轴瓦的流固耦合作用，计算了动压径向滑动轴承的油膜参数，在一定范围内减小了轴瓦刚度，降低了轴承的最大压力，从而减小了轴承变形量。

国内外基于流固耦合对动静压轴承的研究主要集中在单进油口的简单结构，对于带有多个静压腔、过油槽和进油孔的动静压轴承研究尚少。鉴于此，在引入流固耦合分析技术的基础上，对该种动静压滑动轴承进行静力学分析。

1 建模

1.1 轴承结构和网格划分

为了满足高速精密轧辊磨床砂轮主轴高速运转的稳定性及其加工精度要求，在提高液体动静压轴承的应用范围和运行效率的基础上，设计了一种可调式高速精密轧辊磨床液体动静压轴承，如图1所示。

图1 动静压轴承展开图Fig.1 Expansion diagram of hybrid bearing

轴承外表面均布4个锥形肋板，并配有相同锥度内孔的轴承套，通过向左或向右同时拧动调节端盖使推板移动，强迫轴承向左或向右移动，从而强制其在每个锥形肋板处发生凹陷变形，通过不同程度的挤压，形成不同深度的楔形动压腔[12]。只对位于中间位置时的轴承结构进行分析，其半剖三维图如图2所示。轴承与油膜流固耦合面的参数见表1。

图2 轴承位于中间位置时的半剖三维图Fig.2 Half－section three－dimensional diagram of bearing at middle position

表1 轴承与油膜流固耦合面的参数Tab.1 Parameters of fluid－solid coupling surface between bearing and oil film mm

动静压轴承装配体中除轴承材料为锡青铜外，其余零部件材料均为45＃钢，材料主要参数见表2。

表2 轴承装配体材料参数Tab.2 Material parameters of bearing assembly

虽然动静压轴承装配体的结构零部件较多，但其配合紧密，形状较为规则，因此采用六面体网格划分。为避免网格数目过多，增加仿真分析的计算量，采用尺寸为2 mm的网格。由于主要以流固耦合面为基础进行结构分析，因此，对影响较小的装配体上的圆角、过油孔进行了简化处理。采用Workbench中mesh网格划分模块对简化后的动静压轴承装配体进行网格划分，如图3所示，网格总数为554 148个，skewness值均小于0.45，网格质量较好。

图3 轴承网格划分Fig.3 Meshing of bearing

1.2 油膜结构和网格划分

轴承平面结构示意图如图4所示，主轴直径为99.94 mm，最大偏心距e为0.1 mm，最大偏心率为0.33。轴承润滑油膜如图5所示，将与过油槽、静压腔、进油孔接触的油膜分别命名为过油槽油膜、静压腔油膜和进油孔油膜，其余为封油面油膜。

图4 轴承平面结构示意图Fig.4 Plane structure diagram of bearing

图5 轴承润滑油膜Fig.5 Lubricating oil film of bearing

Gambit是 FLUENT的优秀前处理软件[13]，利用Gambit对三维模型进行网格划分。由于轴承模型的油膜厚度较薄，而且是主要的承压区，油膜网格划分采用分区域结构化与非结构化网格相结合的方式[14]。将轴承油膜切分成4个静压腔油膜，4个过油槽油膜，8个进油孔油膜，并将封油面油膜沿轴向切分成8个相同的油膜块，各个部分的油膜划分方法、种类及其网格数见表3。

表3 油膜网格划分情况Tab.3 Meshing status of oil film

由于静压腔结构规则，因此采用Map网格划分方法，生成规则的结构化Hex六面体网格；由于封油面厚度薄且弯曲弧度大，只能使用Submap网格划分方法，将不可Map映射的面分成多个区域，再在各区域生成结构化Hex六面体网格；由于进油孔是规则的圆柱体，因此采用Cooper网格划分方法，通过源面对整体进行网格样式扫面，划分出不规则的Hex六面体网格[15]；由于过油槽油膜处于封油面油膜规则六面体网格与进油孔油膜不规则六面体网格之间，难以生成全六面体网格，因此采用TGrid网格划分方法，将网格指定为四面体网格元素，但在适合划分结构化网格时可能包括六面体网格，其间会生成金字塔形和楔形元素过渡网格，在与封油面油膜和进油孔油膜相邻处各生成一层金字塔形网格，即五面体网格，中间部位是四面体网格。

静压腔油膜径向设置3个节点，过油槽油膜径向设置4个节点，封油面油膜径向设置3个节点，其余部分以1 mm为单位设置节点。求解后得出网格总数为135 608个，其中金字塔网格3 280个，四面体网格32 168个，六面网格100 160个。网格质量较好，EquiSize Skew网格歪斜度均小于0.8，能够满足滑动轴承油膜流场分析的要求，油膜网格划分如图6所示。

图6 油膜网格划分Fig.6 Meshing of oil film

网格划分后设置轴承润滑油膜的边界条件，由于该油膜结构较为复杂，应细化边界条件的设置，为油膜压力场的分析与流固耦合数据导入做准备。设置压力出口oulet，压力进口inlet，油膜与主轴、静压腔、进油孔、过油槽、封油面的接触面分别为 wall，jyq，jyk，gyc，fym。

2 轴承油膜应力场分析

FLUENT是目前功能最全面、适应性最广的CFD软件之一[16－18]。将 Gambit中划分好的油膜网格保存成msh文件，导入FLUENT软件进行油膜应力场仿真。首先检查网格质量，显示正常。设置相关参数，工作介质为L－HV N46抗磨液压油，润滑油密度为874 kg／m3，润滑油动力黏度为0.016 68 Pa·s。边界条件为：油膜入口应力为5 MPa，出口应力为0。油膜内壁设为运动壁面，油膜外壁设为静止壁面，转速为2 000 r／min。因为轴承流场黏性力远远大于惯性力，使用默认的层流模型（Laminar）进行计算[19]。轴颈高速旋转时，溶解在润滑油内的空气因外界压力变低，其体积膨胀析出产生空穴现象。使用Singhal et al空穴模型，空穴应力为7 550 Pa。

油膜的应力分布如图7所示。由于偏心的影响，油膜应力整体分布不对称，靠近最小油膜厚度的进油孔和过油槽的应力值略高于设置的入口应力，过油槽起扩散进口油液的作用，其与进油孔油压相近；靠近油膜的出口应力最小；最小油膜厚度位置处的封油面和静压腔油膜应力比最大油膜厚度位置处的更大。油膜流场应力分布基本符合轴承油膜在实际工作中的承压情况。

图7 油膜流场应力分布图Fig.7 Flow field stress distribution diagram of oil film

3 轴承结构静力学分析

在Workbench中搭建动静压轴承的结构分析模块[20]。通过 Fluid Flow模块，导入 FLUENT中计算的应力场相关文件及数据。通过static structural模块中的imported load功能将FLUENT中油膜应力场的数据结果对应添加到动静压轴承的内表面。

油膜流场力分析时，通过求解器查看油膜承载力，即油膜对轴承的总作用力，x方向6 793.12 N，y方向11 464.48 N，z方向几乎为0，与径向滑动轴承轴向不受力相符。高速精密轧辊磨床液体动静压轴承在实际工作中保持静止，由Newton第一定律可知，油膜对轴承的总作用力等于箱体对轴承的支承力。通过已知的动静压轴承所受力和约束，在ANSYS Workbench中设定相关参数后，对轴承结构两端固定，在轴承套和端盖与箱体接触面处添加位移约束和支承力。通过计算可得该轴承装配体的应力和变形，分别如图8、图9所示。

图8 轴承应力仿真结果Fig.8 Stress simulation results of bearing

图9 轴承变形仿真结果Fig.9 Deformation simulation results of bearing

由图8a可知，轴承装配体所受最大应力（89.246 MPa）位于箱体与其外表面接触处，小于45＃钢的许用应力120 MPa，其余零部件也均能满足工作强度的要求。由图8b可知，轴承所受最大应力（约40 MPa）位于进油孔，远小于锡青铜的许用应力175 MPa。因此，轴承装配体的强度能满足其正常工作的要求，并具有较大的安全裕度。

由图9a可知，轴承装配体的最大位移（0.033 mm）位于轴承端盖和轴承套的外表面，小于45＃钢的许用形变量0.06mm。由图9b可知，轴承最大位移（约0.03 mm）位于最小油膜厚度对应的轴承内表面，远小于轴承材料的许用挠度0.08 mm，因此轴承刚度满足要求。

综上可知，动静压轴承装配体结构的设计和材料的选择均能满足要求。

4 结束语

基于Gambit提出了一种带有静压腔和过油槽的动静压轴承油膜的网格划分方法，对轴承油膜进行分块网格划分，网格质量能够满足滑动轴承油膜流场力分析的要求。通过FLUENT对动静压轴承油膜的应力场进行分析，结果表明，最大油膜应力位于过油槽和进油口附近，且由于偏心率的影响，靠近最小油膜厚度的应力较大。基于FLUENT的流固耦合分析结果可知，轴承所受最大应力位于轴承与箱体的接触面，最大位移位于轴承端盖和轴承套的外表面，最小油膜厚度处的轴承内表面位移较大，但均未超出该材料应力、应变的许用值，即该轴承的整体结构满足强度要求。