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基于FLUENT的液体动静压轴承的动态特性分析*

时间:2017-7-15 9:05:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  超高速磨削技术的实现,需要综合提高各种零部件的性能和工装技术水平。对于超高速磨削机床而言,主轴系统性能至关重要,而决定主轴性能的关键部件就是轴承。在超高速磨削机床上广泛应用的轴承为液体动静压轴承,它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突出优点。但是随着主轴转速的提高,润滑油油温升高,轴承的承载力会下降,稳定性会降低,从而影响加工精度,严重时可能出现‘’刮轴“抱轴”等恶性事件,因此进行液体动静压轴承动态特性的研究还是非常必要的。

  随着计算机技术的发展,对动静压轴承动态特性基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975043)。

  事精密与超精密加工、数字化设计与制造、数控机床与数控技术等领域的教学与研究工作。E―nail:tbyumail.neu.edu.cn.的研究,逐渐由原来的理论分析、求解雷诺方程,转变成应用CFD软件进行数值计算。高庆水等用CFD方法求解了油膜的压力场和承载;马涛等人利用FLUENT软件求解了油膜压力场和温度场,都得到了较为精确的计算结果。因此,采用数值分析方法可以在理论上分析得到动静压轴承的润滑特性及动态特性,当进行轴承设计时可大大缩短项目研发周期,节省试验成本。

  本文作者在前人的基础上,以FLUENT为分析软件,建立了液体动静压轴承计算模型,研究了轴承的动态特性,求解了轴承压力场和温度场分布,分析了承载力、刚度、偏位角、温度、流量与偏心率的关系,承载、温度、流量与转速的关系。

  1FLUENT计算模型的建立1.1网格模型的建立以东北大学超高速磨削试验台装配的五腔液体动静压混合动力轴承为研究对象,此轴承采用五腔供油、小孔节流、小腔承载,其结构如所示。

  此动静压轴承结构参数为:轴承直径D=80mm,轴承长L= 80mm,平均油膜厚度h0=小孔直径dc=1.0mm,高度hc=3mm;油槽深度c= 0.25mm,轴向宽度b= 36mm,周向圆心角5=52°;均压油腔直径=2.5mm,高度=3mm.首先采用Gambit软件建立油膜的有限元模型,然后对模型进行网格划分及边界类型的设定,从而建立油膜的网格模型。其中网格被划分为67万多个六面体网格单元,入口为5个油腔进口,将其设置为压力进口,出口为轴承端面,将其设置为压力出□,油膜的内外2个表面设置为壁面边界。网格模型如所示。

  1.2.2边界条件确定(1)进油口为5个油腔入口,边界条件采用压力入口,油腔入口压力凡=7MPa,入口温度T=(2)出油口为轴向2个端面,边界条件采用压力出口,且出油口压力与外界环境压力相等凡=(3)其他部分均为壁面边界且没有热交换,其中内膜设置为动边界,外膜设定为固定边界,且润滑油与壁面与流体都无相对滑动。

  2.1模型选择与参数设定采用隐式定常模型进行计算,物理模型设置为紊流。流动介质为2主轴油,该主轴油的参数性能指标为:润滑油的密度p=810kg/m3;润滑油的比热容Cp=2000/(kgK);润滑油的导热系数A=0. 37W/(mK);润滑油的动力黏度的设置考虑了温度的影响,表1为不同的温度下主轴油的动力黏度值。

  表1润滑油的动力黏度动力黏度M/ 2.2计算求解滑动轴承油膜的网格模型1.2计算模型假设与边界条件确定1.2.1计算模型假设(1)滑动轴承内部流场中,润滑油看作不可压缩流体且流态为三维定常流动;(2)流体与壁面间无热量交换,轴颈旋转产生的热量完全由流体带走;(3)润滑油与轴颈和轴瓦无相对滑动;(4)旋转过程中,不考虑轴瓦及轴颈的热变形;(5)考虑润滑油的温黏特性;(6)采用紊流模型,对动静压轴承内流场进行求解。

  导入有限元模型4选择流态模型及控制模型、定义润f油属i、设置边界恭件设置求解精度设置迭代参数初始化流场收敛输出压力场及温度置、求解偏位角计算流程图:迭代精莲出现迭。计算二产生动:受外载S动静压动态承在偏心Ps=7速度求艮如表2表2不同转速下油膜的动态特性转速v/ 1)承载w/kN偏位角首先设置迭代参数,初始化流场,设置度,然后进行迭代计算,并观察残差曲线,当代不收敛时,修正亚松弛因子,重新进行计算流程如所示。

  3计算结果及讨论3.1不同转速下的动态特性动静压轴承是通过轴颈旋转,在封油面」

  压效应,该动压效应和油腔静压效应共同承荷,并使轴承的承载能力有所提高,所以研究轴承不同转速下的动态特性,对分析轴承的载,动态稳定性和温升有重要意义。本文作者率e=0.5,供油温度T =298K和供油压力MPa,并保持不变的情况下,改变轴颈的旋转得轴承在不同转速下的油膜动态特性。其结果所示。

  为了对比不同转速下动态参数的差异,分别列出了转速为、10和20000r/min下的压力场和温度场分布如所示。为了清楚地分析承载力及温度的变化规律,绘制了转速与承载力及温度的关系图。

  如,6所示。

  不同转速下的温度场及压力场分布从压力分布图可以看出,在轴向,压力对称分布,油腔处压力高于封油面处压力,压力由中间向两边逐渐减小;在周向,轴承偏心处的油腔压力高于其他油腔,主要由它提供承载,其他油腔起稳定作用。

  从温度分布图可以看出,在轴向,入油口处温度最低,每个油腔的温度由中间向两端逐渐上升,温度峰值区出现在油腔两侧的封油面处;在轴向,每个油腔的温度普遍低于封液面上的温度,偏心处的温度高于其他地方。

  在恒定偏心率的条件下,逐渐增大主轴的转速可获得如下结论:随着转速的增大,动态效应不断增强,油膜的承载能力和偏位角不断增大,但增大速率逐渐减小(曲线的曲率k逐渐减小);随着转速的增大,油膜的温度不断上升,油膜的平均温度和最高温度上升较为明显,且增长速率逐渐增大(曲线的曲率k逐渐增大),在高转速下有失效的趋势;随着转速的增大,轴承的流量先增大后减小,但幅度比较小。

  升较为明显,温度增高的斜率不断增大,高温集中在封油面的偏心位置;随着偏心率的增大,轴承的进油量有逐渐减小的趋势,但减小幅度很小。

  轴承各个方向状态相同,当有了偏心的存在,轴承各个方向的状态将发生改变,压力和温度的分布开始不均匀,从而产生了新的动态特性。本文作者在相同的条件下,改变轴承的偏心率,对模型分别进行求解计算,分别获得轴承在偏心率为0.10.5时的动态特性,包括:压力分布、温度分布、承载能力、偏位角、油膜的平均温度、最高温度、轴承的流量。计算结果如表3所示,并在此基础上绘制了偏心承载力变化曲线和偏位角变化曲线,如、8所示。

  在转速恒定的条件下,通过改变轴承的偏心可以获得如下结论:随着偏心率的增大,轴承的承载能力不断增大,偏位角基本保持不变;随着偏心率的增大,油膜的温度不断升高,主要表现为,平均温度缓慢上升,油膜的最高温度上表3不同偏心率下的轴承动态特性表Table偏心率承载能力偏位角油膜平均温度T/K耳古:曰取轴承流量q/油膜的刚度是表征轴承动态特性的重要指标,它与轴承的稳定性密切相关。油膜的刚度是指轴心偏移微小距离时,油膜反力的增量与该微小位移之比。

  若把微小位移沿2个相互垂直的坐标分解为2个分量,并将油膜反力也做相同的处理,则油膜的刚度6可表示为计算时可以通过给定x方向或y方向的微小位移,获得x方向和y方向的承载变化,从而求解刚度。微小位移Ax/h.,Ay/h.通常介于0. 005和0.01之间时计算刚度的效果比较好,本文作者选用Ax/h0=0.01,Ay/h0=0.01,进行求解计算。在转速v= 298K,供油压力凡=7MPa条件下,求得偏心率e =0.5下的刚度,如表4所示。

  表4油膜刚度3.4油膜阻尼油膜的阻尼是表征轴承动态特性的另重要指标,它对轴承的稳定性及轴承的振动有直接影响。油膜阻尼是指轴心获得移动速度增量时,油膜阻力增量与该速度增量的比值,其表达式6可表示为:计算时可以通过给定x方向或y方向的微小移动速度,获得x方向和y方向的承载变化,从而求解阻尼。本文作者采用动系模型,给油膜外壁面一移动速度,平移速度AxAw.h0),AyAwh0)通常介于0.005和0.01之间时计算阻尼效果比较好,本文=10000r/皿n,供油温度T=298K,供油压力凡e=0.5下的油膜阻尼,=7MPa条件下,如表5所示。

  求得偏心率表5油膜阻尼4结论分析获得的油膜压力场和温度场分布,清楚地揭示压力和温度的分布规律。油腔压力高于封油面处压力,偏心处油腔压力明显高于其他油腔;油腔的温度由中间向两端逐渐上升,温度峰值区出现在油腔两侧的封油面处,偏心处油温较高。

  在保持供油压力和轴转速恒定的情况下,随着偏心率的增大,轴承流量有所减少,轴承的承载能力不断增大,偏位角基本保持不变;在保持供油压力和轴承偏心率恒定的情况下,随着转速的提高,油温上升,轴承承载力及偏位角不断增大。

  采用这种方法可以有效地分析和验证动静压轴承润滑特性及动态特性,在进行轴承设计时可大大缩短项目研发周期,节省试验成本。