趙亞?wèn)| 梁 興 張運(yùn)真 張陽(yáng)明 白肖寧

(①安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽(yáng)455000；②安陽(yáng)萊工科技有限公司，河南安陽(yáng)455000)

目前各類機(jī)床上所應(yīng)用的主軸軸承主要有:高速精密角接觸球軸承、陶瓷球角接觸球軸承、磁力軸承和流體靜壓、動(dòng)壓、液體動(dòng)靜壓軸承.其中,液體動(dòng)靜壓軸承的研究在國(guó)內(nèi)外受到了普遍的重視,低速重載的特性顯示出其不同于普通軸承的優(yōu)越性,是一種很有發(fā)展前途的支承元件.本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承同時(shí)具有動(dòng)靜壓徑向軸承和止推軸承的功能,配合主軸前端法蘭的止推軸承,可以承受雙向止推的功能,在國(guó)內(nèi)是比較先進(jìn)的動(dòng)靜壓軸承技術(shù).

作為機(jī)床最主要功能部件的動(dòng)靜壓主軸,因加工狀況的需求,在立式使用過(guò)程中,主軸不但承受自身重力,還要承受徑向和軸向的力,轉(zhuǎn)軸在徑向和軸向與動(dòng)靜壓軸承表面因壓力的不均衡,易出現(xiàn)竄軸和抱軸的故障現(xiàn)象,造成加工精度降低或主軸維修,嚴(yán)重時(shí)主軸報(bào)廢.

1 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的結(jié)構(gòu)和油路設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接構(gòu)件的裝夾方式和焊接方式的需求,在立式攪拌摩擦焊的過(guò)程中,攪拌頭從開(kāi)始旋轉(zhuǎn)插入焊接構(gòu)件中,攪拌軸肩壓緊構(gòu)件進(jìn)行焊接,直至焊接結(jié)束,攪拌頭抽出焊接構(gòu)件,在整個(gè)焊接過(guò)程,主軸要承受插入、拔出時(shí)雙向軸向力和自身的重力.結(jié)合攪拌摩擦焊的加工工藝特點(diǎn)和主軸雙向受力的特點(diǎn),設(shè)計(jì)研發(fā)一種雙向止推立式動(dòng)靜壓電主軸MHDYD60-210-1.5-3/5.5,如圖1所示.主軸上下徑向支承部件采用液體動(dòng)靜壓軸承,同時(shí)在主軸軸肩上下端分別采用雙動(dòng)靜壓止推軸承結(jié)構(gòu),如圖2.主軸具有剛度大、承載雙向負(fù)荷等的特點(diǎn),特別是在主軸軸肩下端的復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承,即上軸承座,采用創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),把徑向動(dòng)靜壓軸承和軸向止推軸承設(shè)計(jì)為一體,同時(shí)承受軸向和徑向的載荷.

1.1 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承,即上軸承座,如圖3所示,包括軸承體和軸承內(nèi)襯,軸承體內(nèi)側(cè)過(guò)盈安裝軸承內(nèi)襯,在軸承內(nèi)襯的上端面均設(shè)計(jì)有4個(gè)均布的扇形動(dòng)靜壓油腔和進(jìn)油道,在進(jìn)油道設(shè)計(jì)安裝有小孔節(jié)流閥,同圖2雙向止推軸承結(jié)構(gòu)示意圖時(shí),油腔均設(shè)有連通至外壁的測(cè)壓油道,在測(cè)壓油道內(nèi)安裝有油壓傳感器,用于檢測(cè)調(diào)試4個(gè)油腔壓力均衡情況,并在油腔之間設(shè)計(jì)有回油槽.同時(shí),軸承內(nèi)襯的內(nèi)壁徑向設(shè)計(jì)有徑向推力油腔.在復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的軸承內(nèi)襯外表面設(shè)計(jì)有環(huán)形油槽,并設(shè)計(jì)有4個(gè)均布徑向進(jìn)油道與軸承內(nèi)襯內(nèi)壁的4個(gè)動(dòng)靜壓油腔的軸向進(jìn)油道連通.

1.2 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的油路結(jié)構(gòu)

首先,由外部液壓站提供的壓力油通過(guò)殼體的軸向油道,進(jìn)入復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的軸向進(jìn)油道,一路通過(guò)徑向油道到達(dá)軸承內(nèi)襯的環(huán)形油槽,由環(huán)形油槽分別進(jìn)入4個(gè)進(jìn)徑向油道,并經(jīng)過(guò)4個(gè)軸向小孔節(jié)流閥形成一定壓力的壓力油到達(dá)軸承內(nèi)襯端面的扇形油腔里,實(shí)現(xiàn)4個(gè)扇形油腔的均勻供油.

上端面與轉(zhuǎn)子軸軸肩下端面之間的壓力油經(jīng)復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的均布回油槽進(jìn)入復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的軸向回油油道,最后經(jīng)殼體和下軸承座回油油道,流入電主軸外部液壓站.

2 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的仿真分析及初步驗(yàn)證

復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承集止推軸承和徑向軸承為一體,分別對(duì)止推軸承和徑向軸承進(jìn)行研究和分析,并按照實(shí)際工作狀態(tài)模擬加載情況,設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的動(dòng)靜壓徑向軸承和動(dòng)靜壓止推軸承油膜進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工的合理性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題,從而可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)靜壓軸承基本結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì).

首先,利用FLUENT的前處理軟件GAMBIT進(jìn)行動(dòng)靜壓軸承油膜幾何模型的建立和劃分網(wǎng)格,生成動(dòng)靜壓軸承油膜的網(wǎng)格文件,并定義邊界類型,然后用FLUENT軟件模擬和分析動(dòng)靜壓軸承中流體流動(dòng)和熱交換等問(wèn)題,可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算出壓力油在油腔流動(dòng)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng),進(jìn)而分析出油膜的承載性能,并且根據(jù)承載特性分析出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.因徑向軸承的仿真分析較多,本文重點(diǎn)研究止推軸承的仿真分析.

2.1 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承止推軸承的建模、網(wǎng)格劃分和仿真分析

止推軸承的作用主要是防止主軸軸向位移,主要承受軸向載荷.當(dāng)攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸進(jìn)行焊接時(shí),由于下壓量,在主軸與待焊板材之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用力,這個(gè)作用力又被稱為頂鍛力,頂鍛力就是動(dòng)靜壓止推軸承承受的軸向載荷.本文主要分析了轉(zhuǎn)速、頂鍛力對(duì)動(dòng)靜壓止推軸承的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的影響.

復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的止推軸承結(jié)構(gòu)為四均布油腔結(jié)構(gòu),4個(gè)進(jìn)油口分布在每個(gè)油腔的中部位置,壓力油分別進(jìn)入4個(gè)油腔內(nèi),與主軸軸肩之間形成一層薄薄的油膜來(lái)支撐主軸工作.

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行仿真分析的關(guān)鍵性步驟,網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系到迭代計(jì)算的收斂速度以及計(jì)算的精度,網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣會(huì)很大程度上影響后期分析結(jié)果.網(wǎng)格的劃分不僅要考慮計(jì)算精度,還要考慮到計(jì)算速度,綜合考慮仿真分析的效率和質(zhì)量,并根據(jù)動(dòng)靜壓止推軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及多次網(wǎng)格劃分的嘗試,最終采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.將扇形油腔中的圓角簡(jiǎn)化為規(guī)則的扇形油腔,忽略模型中的圓角.

建立好模型并劃分網(wǎng)格如圖4,將4個(gè)小孔節(jié)流進(jìn)油口設(shè)置為壓力進(jìn)口(pressure inlet),回油槽的4個(gè)外環(huán)端面設(shè)置為壓力出口(pressure outlet),如圖5中的A區(qū)域,其他面默認(rèn)設(shè)置為壁面(wall),最后保存設(shè)置并輸出網(wǎng)格文件.

2.2 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承止推軸承的仿真分析

設(shè)定參數(shù)并運(yùn)行FLUENT仿真計(jì)算之后,進(jìn)行后處理,輸出壓力分布云圖和溫度分布云圖,主要觀察不同轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)和不同工作載荷對(duì)動(dòng)靜壓徑向軸承的溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)的影響,分析軸承承載特性.

設(shè)置1 000 r/min、1 500 r/min、3 000 r/min 這3 個(gè)不同的工作轉(zhuǎn)速,進(jìn)行迭代計(jì)算.

2.2.1 空載條件下止推軸承承載能力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

首先設(shè)計(jì)為空載條件下,進(jìn)行計(jì)算,得到溫度和壓力云圖,如圖6和圖7所示.

由圖6可以看出,同一個(gè)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,4個(gè)扇形油腔的溫度呈現(xiàn)為對(duì)稱分布,每個(gè)油腔的溫升以及溫度等值區(qū)域都相等,由此可見(jiàn),止推軸承在空載條件不同的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,油膜的穩(wěn)定性保持較好.由于封油邊處摩擦比較嚴(yán)重,隨著轉(zhuǎn)速的升高,油膜溫升最明顯.軸承座為一體復(fù)合型,止推軸承不僅與主軸軸肩端面摩擦損耗導(dǎo)致溫度升高,而且在徑向方向上靠近軸心位置時(shí),也會(huì)與轉(zhuǎn)子軸有部分摩擦導(dǎo)致止推軸承溫度升高,所以溫度在止推軸承油腔內(nèi)環(huán)處達(dá)到峰值.

由圖7可以看出,4個(gè)油腔的壓力分布也呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài),且分布均勻.隨著轉(zhuǎn)速的升高,油腔的壓力逐漸升高,而且壓力整體分布更加均勻,再次證明了油膜的穩(wěn)定性較高.止推軸承的承載能力主要受軸向載荷的影響,隨著轉(zhuǎn)速的升高,油膜的承載能力也得到很大提高,止推軸承在空載狀態(tài)下的具體承載性能如表1所示.

表1 空載條件不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下止推軸承的承載力

2.2.2 工作載荷對(duì)止推軸承的油膜特性隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸在實(shí)際焊接過(guò)程中的頂鍛力大約為3 000 N,所以需要針對(duì)在正常焊接過(guò)程中油膜的溫度、壓力變化做仿真分析.在工作壓力為空載荷的分析基礎(chǔ)之上,在FLUENT軟件中將操作條件修改為3 000 N頂鍛力所對(duì)應(yīng)的軸向工作壓力,保持其他求解參數(shù)不變進(jìn)行求解,得出的溫度分布以及壓力分布如圖8和圖9所示.

從圖8可以看出,當(dāng)加載3 000 N的工作載荷之后,止推軸承的溫度稍有上升,但變圖8加載3 000 N頂鍛力不同轉(zhuǎn)速下止推軸承溫度分布化較小,溫度變化不明顯的原因主要是因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速不高,3種轉(zhuǎn)速狀態(tài)中完全可以滿足攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸的加工需求.在圖8b中,即攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸最常用的轉(zhuǎn)速1 500 r/min的條件下,溫度分布較空載條件下的溫度分布更加均勻,整體溫升分布過(guò)渡比較均勻.可知,在加載3 000 N工作載荷的條件下,止推軸承的溫升依然在可靠范圍之內(nèi),間接地證明了動(dòng)靜壓止推軸承在立式攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸中的應(yīng)用是比較合理的.

從圖9中可以看出,當(dāng)加載3 000 N的工作載荷之后,止推軸承的壓力的變化并不十分明顯,壓力的變化比較細(xì)微,但在加載3 000 N工作壓力的條件下,壓力分布更為完整,使得止推軸承穩(wěn)定性得到提高,相對(duì)應(yīng)止推軸承的性能也更加穩(wěn)定,止推軸承的承載力也會(huì)有所提高,如表2所示.

對(duì)比表1與表2可以看出在相同轉(zhuǎn)速情況下,空載運(yùn)行與加載工作壓力之后止推軸承溫升變化并不明顯,但是壓力變化較為明顯,主要原因是因?yàn)楫?dāng)立式攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸在工作狀態(tài)下,對(duì)待焊板材的下壓力施加在止推軸承上,使止推軸承承受的壓力增大,油膜壓力升高；隨著轉(zhuǎn)速的升高,空載狀態(tài)與加載頂鍛力之后的壓力變化越來(lái)越大.隨著壓力的逐漸升高,止推軸承的承載力也得到了提高,在兩種不同的工作壓力狀態(tài)下承載力的變化如圖10所示.

表2 加載3 000 N頂鍛力不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下止推軸承的承載力

2.3 復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的初步驗(yàn)證

根據(jù)負(fù)荷、間隙和加工精度等因素,選擇確定使用5號(hào)主軸油,過(guò)濾精度5 μm,供油初始?jí)毫υO(shè)定為2 MPa,供油后,復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承止推和徑向靜壓均＞0.8 MPa,止推油腔壓力均勻,主軸徑向浮起量＞0.008 mm,自轉(zhuǎn)靈活.通電啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后,復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承的動(dòng)靜壓＞1.8 MPa,動(dòng)靜壓電主軸空載運(yùn)行后,參照有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

3 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)靜壓液體軸承作為主軸支撐主要功能部件之一,隨著動(dòng)靜壓技術(shù)的研究和發(fā)展得到推廣和應(yīng)用.本文所設(shè)計(jì)的復(fù)合式動(dòng)靜壓軸承,考慮主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受力狀況,將動(dòng)靜壓徑向軸承和止推軸承設(shè)計(jì)為一體,可以承受徑向和軸向載荷,解決動(dòng)靜壓電主軸軸向竄動(dòng)的問(wèn)題.并通過(guò)ANSYS-fluent軟件重點(diǎn)對(duì)復(fù)合式動(dòng)靜壓的止推軸承進(jìn)行了重點(diǎn)分析仿真研究,不僅考慮到轉(zhuǎn)速對(duì)止推軸承承載能力的影響,還分析了不同工作載荷與止推軸承承載能力的關(guān)系,重點(diǎn)研究了工作載荷與止推軸承溫度、壓力、承載能力之間的關(guān)系.同時(shí),研究結(jié)果將對(duì)攪拌摩擦焊動(dòng)靜壓電主軸技術(shù)提供理論支撐和技術(shù)基礎(chǔ).