基于FLUENT的液体动静压轴承的动态特性分析

基于FLUENT的液体动静压轴承的动态特性分析

于天彪;王学智;关鹏;王宛山

【摘要】Computational fluid dynamics software FLUENT was used to analyze the dynamic characteristics of five-chamber hybrid bearing, and the internal pressure and temperature field of hybrid bearing was obtained. The carrying capacity, temperature,stiffness,damping and other dynamic parameters were calculated,and the influence of eccentricity and speed on the dynamic parameters was analyzed. The results show that in the condition of oil pressure and bearing eccentricity constant, with the rotate speed increasing,the oil temperature rises,and the carrying capacity and the attitude angle increase; in the condition of oil pressure and rotate speed constant,with the increasing of eccentricity,the flow and the carrying capacity increase,and the attitude angle is essentially unchanged.%应用计算流体力学软件FLUENT对超高速磨削用五腔动静压轴承进行动态特性研究,得到动静压轴承内部压力场和温度场分布；计算轴承的承载力、温度、刚度、阻尼等动态参数,分析这些动态参数与偏心率以及转速之间的关系.结果表明:在保持供油压力和轴承偏心率不变的情况下,随着转速的提高,油温上升,轴承承载力及偏位角不断增大；在保持供油压力和主轴转速不变的情况下,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.

【期刊名称】《润滑与密封》

【年(卷),期】2012(037)006

【总页数】5页(P1-5)

【关键词】动静压轴承;压力场;温度场;承载力;刚度;阻尼

【作者】于天彪;王学智;关鹏;王宛山

【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004;东北大学机械工

程与自动化学院辽宁沈阳110004;65559部队辽宁本溪117000;东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004;东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110004

【正文语种】中文

【中图分类】TH133.3

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［1－3］。

随着计算机技术的发展，对动静压轴承动态特性的研究，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［4］用CFD方法求解了油膜的压力场和承载;马涛等人［5］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。

1 FLUENT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，其结构如图1所示。

图1 滑动轴承结构示意图Fig 1 The schematic of the sliding bearing

此动静压轴承结构参数为:轴承直径D=80 mm，轴承长L=80 mm，平均油膜厚

度h0=0.03 mm;小孔直径dc=1.0 mm，高度hc=3 mm;油槽深度c=0.25 mm，轴向宽度b=36 mm，周向圆心角δ=52°;均压油腔直径dr=2.5 mm，高度hr=3 mm。

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

为压力出口，油膜的内外2个表面设置为壁面边界。网格模型如图2所示。

图2 滑动轴承油膜的网格模型Fig 2 The grid of the film of sliding bearing

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;