李國芹,岳紅新,郗艷梅

(河北工程技術高等?？茖W校 電力工程系,河北 滄州 061001)

空氣靜壓軸承在現(xiàn)代精密機械、儀器中的應用日益廣泛,已成為超精密支承的一個重要發(fā)展方向?？諝忪o壓軸承是以氣體為潤滑介質,需要外界供壓縮空氣,壓縮氣體經(jīng)節(jié)流孔進入相對運動部件之間,形成具有一定壓力的氣膜,產(chǎn)生潤滑和支撐負載作用,氣膜的厚度在 1到 10μ m之間。因為空氣粘度非常低,摩擦力可忽略不計,通過在零件間形成的壓力氣膜,空氣軸承消除了由摩擦力引起的阻力、磨損,因此適用于高速度和精度。空氣靜壓軸承中低速工作時,表現(xiàn)為靜壓潤滑狀態(tài),但空氣靜壓軸承高速工作時,使原本靜壓空氣軸承變?yōu)閯屿o壓混合空氣軸承,表現(xiàn)為動、靜壓混合潤滑狀態(tài),即動壓效應[1]。由于動壓效應對軸承承載力影響的分析為動態(tài)分析,使用解析法分析氣體的壓力分布情況、求解壓力的大小極其困難,再加上計算過程要做一些假設條件,從而帶來一些誤差。 FLUEN T軟件是一個用來模擬從不可壓縮到可壓縮范圍內(nèi)復雜流動的專用 CFD軟件,針對各種復雜的流動和物理現(xiàn)象,采用不同的離散格式和數(shù)值方法,在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合,從而可以高效率的解決各個領域的復雜流動計算問題[2]。

圖1 靜壓軸承的動壓效應示意圖

1 動壓效應的原理

空氣靜壓軸承高速工作時,表現(xiàn)為動、靜壓混合潤滑狀態(tài),也就是動壓效應。設轉軸處于如圖 1所示的坐標系,當轉軸繞 Z軸高速轉動時,假設轉速的矢量方向指向-Z方向,由于空氣的粘性,氣膜與軸接觸的附面層的空氣將隨轉軸一起轉動,則圖中 x軸上半部分氣膜的附面層的流動是由氣膜厚的一側流進,從氣膜薄的一側流出;x軸下半部分氣膜的附面層的流動是由氣膜厚薄一側流進,從氣膜厚的一側流出,該范圍的氣膜受力非常小。

2 孔式靜壓徑向軸承的理論分析

靜壓徑向軸承的傳統(tǒng)計算方法是對有源項的雷諾方程進行求解,得到氣膜壓力場分布,在此基礎上再求出軸承的壓力場分布、承載力、耗氣量等靜特性。而運用 FLUEN T軟件可以對徑向軸承進行非常精確的數(shù)值模擬。

2.1 孔式靜壓徑向軸承的結構

所分析軸承具體的結構參數(shù)尺寸如表 1所示。具體的結構尺寸如圖 2所示。

表1 空氣靜壓徑向軸承結構尺寸

圖2 空氣靜壓徑向軸承結構尺寸圖

圖3 靜壓軸承的工作原理

圖4 軸承模型的一半?yún)^(qū)域

2.2 孔式靜壓徑向軸承的仿真模擬理論基礎

在沒通入壓縮氣體前,由于軸的自重和載荷的作用,軸與軸承內(nèi)表面相互貼合,氣膜厚度 h為零;通入壓縮氣體時,當供氣壓力與氣腔面積乘積值超過載荷 F時,軸被浮起,氣膜形成,軸在氣膜壓力的支承下達到平衡,如圖 3所示。當外載荷增大時,氣膜厚度減小,氣膜的壓力會增大,支承力增加,以平衡增大的外載荷;反之,當外載荷減小時,氣膜厚度增加,氣膜壓力會減小,支承力減小,以平衡減小的外載荷。要研究軸承的承載力,主要就是研究模型中軸承表面壓力分布和氣膜承載力,因此以氣體為主要研究對象,建模時主要考慮氣體在節(jié)流小孔以及氣膜中的流動。

3 軸承動壓效應的數(shù)值分析

3.1 孔式徑向靜壓軸承模型建立

分析軸承的動壓效應,就是主要分析軸承高速旋轉時,軸承表面壓力分布情況,即氣膜承載力的大小受轉速的影響,因此將從節(jié)流小孔處到軸承間隙間的流動氣體作為主要研究對象,建立三維模型。如圖 4所示。考慮到軸承的結構具有幾何對稱性,為了減少網(wǎng)格數(shù)目,減少計算量,選擇整個模型的一半?yún)^(qū)域的氣體作為模擬分析計算研究對象。

3.2 模型網(wǎng)格化和施加邊界條件

由于軸承的供氣孔與節(jié)流孔連接處孔的橫截面發(fā)生突變,節(jié)流孔的橫截面積比供氣孔小的多得多,高壓氣體流經(jīng)過這里時,流速會急劇增加,導致速度梯度和壓力梯度都會變得很大,因此在劃分網(wǎng)格時,在此處網(wǎng)格密度要相應增大。由于仿真研究對象取整個模型的一半,因此需施加一個幾何平面對稱條件。供氣孔、節(jié)流孔軸承間隙氣膜外圓柱表面與軸承接觸,軸承固定,表面需施加速度為零速度邊界條件。軸承間隙氣膜內(nèi)圓柱表面與軸頸接觸,軸頸以一定的速度旋轉,氣膜內(nèi)圓柱表面需加一速度邊界條件。軸承的端部直接排入大氣,出口處的壓力即環(huán)境壓力 P0=0,軸承的端部需加壓力邊界條件。供氣孔斷面需加壓力邊界條件,供氣壓力 PS=0.6MPa。邊界條件圖如圖 5所示,網(wǎng)格劃分如圖 6所示。

圖5 邊界條件圖

圖6 軸承網(wǎng)格劃分

3.3 Fluent數(shù)值模擬結果

1)氣膜壓力場分布

選擇相同的偏心率,分析不同轉速條件下的軸承動壓效應,這里取X=0.4。假設轉軸往+X方向偏移,觀察方向由+Y往-Y方向觀察,在不同轉速下氣膜上的氣膜壓力分布,結果如圖 7所示。圖中刻度為壓強值(MPa)。

圖7 不同轉速對應的軸承氣膜壓力分布圖

轉速為70000 r/min時,氣膜的高壓區(qū)處在節(jié)流小孔出口周圍附近的地方,當轉速達到 100000 r/min時,氣膜高壓區(qū)已覆蓋近 1/2孔位置面積,且最高壓力超過了供氣壓力;當轉速達到 120000 r/min時,氣膜的高壓區(qū)擴散到所有孔位置,且沿軸向高壓區(qū)不斷擴大。當主軸以一定的速度高速旋轉時,隨著轉速的提高,氣膜高壓區(qū)的范圍不斷擴大,且最大壓力也會隨之增大,動壓效應逐漸增強,氣膜高壓區(qū)是隨轉動方向逐漸移動較明顯,移動方向是沿主軸的受載方向,沿軸向高壓區(qū)也不斷擴大,但較緩慢。

圖8 徑向承載力與轉速的關系

2)軸承的承載特性

根據(jù)氣膜上的壓力分布,可以求出氣膜壓力的合力 F,即軸承的徑向承載力,在 Fluent仿真計算時,將軸承的內(nèi)表面定義為某墻面,然后利用Fluent軟件中的積分指令,對軸承內(nèi)表面上的壓力進行積分,得到軸承在不同轉速時軸承的承載力。徑向承載力與主軸轉速的關系如圖 8所示。

當偏心率X=0.4,主軸的轉速為零時,軸承的承載力是 164.7 N,由圖 6可看出,主軸轉速為100000 r/min時,軸承的承載力為183.2N,由于動壓效應的作用,使承載力提高了 11.2%,也就是說,如果不考慮靜壓軸承的動壓效應,將會產(chǎn)生11.2%的誤差。因此高速旋轉靜壓軸承的動壓效應不可忽略。轉速越高,動壓效應越大。軸承承載力隨著速度增大成非線性增長的規(guī)律。

4 結論

利用 Fluent軟件對空氣靜壓徑向軸承進行全參數(shù)三維實體建模,仿真分析了主軸高速旋轉時,軸承在同一偏心率不同轉速下氣膜上的壓力分布,并得到軸承的承載力隨轉速變化而變化的規(guī)律:當主軸以一定的速度高速旋轉時,隨著轉速的提高,氣膜高壓區(qū)的范圍不斷擴大,且壓力也會隨之增大,即動壓效應逐漸增強,承載力也隨之不斷增加,但承載力隨轉速的增長規(guī)律不是成線性的。

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