大重型静压支承静态性能及油膜流体仿真_唐军

0引言
随着各种先进制造技术的快速发展，回转机械 趋向于低速重载发展。故而，对数控加工设备的回 转工作台转速及负载能力要求越来越高[1]。液体静 压轴承因能提供广泛的液膜厚度以及较高的液膜 刚度，功率损耗小，即使在很低的转速下也能平稳 工作等特点而被广泛应用到重型装备中并
成为核心部件[2]~[4]。目前，国内针对大尺度静 压轴承的研究还比较少。实际应用中，主要靠工程 技术人员的经验来解决问题。本文利用静压推力轴 承和静压径向轴承两套静压轴承，将单腔圆环形推 力轴承无法克服的倾覆力矩由静压径向轴承来承
2 静压轴承数值模拟
2.1 圆环形定压供油式推力轴承数值模拟 圆环形定压供油式推力轴承油膜有 3 个进油
口，油腔与油膜均为环形结构。考虑到结构周期性 特点和计算机运算速度，取其整个结构的 1/3 进行 模拟分析。这样所求得承载力乘以 3，就可得到整 个圆环形静压推力轴承的承载能力。
油膜模型由 3 部分构成：圆柱体进油管、1/3 环形油腔及 1/3 环形薄油膜，其中薄油膜的内外侧 为出油口。有限元计算采用四六面体混合网格，网 格划分采用整体建模虚面分割法，即将整个油膜模 型切分为三部分，对各部分分别划分，进油口等梯 度变化较大的地方进行了局部网格细化。边界类型 为：压力进口；压力出口；周期性边界；墙壁；液 体等；该推力轴承采用定压式供油，进油口给定压 力 P=0.25MPa。求解过程中，视静压推力轴承内部 流场中流体是不可压缩流体且流态为三维定常流 动。为了便于分析讨论，将理论计算与仿真模拟数 值绘制在同一坐标平面内，如图 5，压力场分布如 图 4，油腔内压力最大且基本恒定；油腔内、外侧 薄油膜压力，呈现由中间油腔区域向两侧递减。从 总体来讲，压力油膜可以将接触面均匀的分离开， 使浮起的表面保持平衡。由图 5 可见，在同一供油 压力下，轴承承载能力随着偏心率的增大而增大； 理论计算曲线与数值模拟曲线变化一致，且数值误 差稳定在 12 %以内。
关键词：数控转台；静压轴承；静态性能；流体仿真；偏载荷
中图分类号：TH133.36
文献标志码：A
Fluid simulation of oil film and static performances of large heavy duty
hydrostatic thrust bearing
TANG Jun1, HUANG Xiao Diao1, ZHANG Jin1,2 (1. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China;
2. Nanjing Gongda CNC Technology Co., Ltd., Nanjing 210009, China) Abstract: In order to overcome the problems that the single oil chamber hydrostatic thrust bearing of a large heavy duty NC rotary table cannot bear partial load, a composite design scheme, which is composed of single oil chamber hydrostatic bearing and radical static pressure bearing, is proposed. Also, to facilitate the processing of oil chamber of radical static pressure bearings, a new type of ring groove oil cavity structure is designed. The oil chamber processing area accounts for only 10% of single oil chamber area, while the load bearing area accounts for more than 75% of single oil chamber area. The circular oil chamber and ring groove oil cavity are modeled using the 3D modeling software Pro/ENGINEER and the CFD simulation software FLUENT. The two kinds of oil chamber structure of internal flow characteristics and static performance are obtained. The experiments on thrust bearing and radial bearing relationship show that the design scheme is appropriate and rational. Key words: NC rotary table; hydrostatic bearing; static performance; fluid simulation; partial load
1 大重型数控转台承载能力表达式
1.1 圆环形定压供油式推力轴承承载能力表达式 本例中开式静压推力轴承的油腔是环状的，
封油边在油腔内外两侧，均为环状，液压油从油 腔沿径向内外侧同时流出，其油腔简化图如图 1。
S = − ∂W = ∂h
ps Ae
6(1 − ε )5
h0
⎢⎣⎡1 +
1
+
4λ0
(1
+
λ0
对象。假设在外载荷 W 作用下，被支承件偏心量为
e，其上下油垫的流量为
[ ] Q上 = Q1 + Q2 =
p1h03 6μ
K A − 3εK B + 3ε 2 Kc − ε 3K D
；
[ ] Q下 =
p1h03 6μ
K A + 3εK B + 3ε 2 Kc + ε 3K D
此处结构参数：
KA
=
2Rθe b1
柱面油垫可以等效为矩形平面油腔。静压径向轴承
总流量为：Q 总=8Qε=0。 承载能力方程 按照圆柱面支承转换为等效
平面支承的原理和方法，本静压径向轴承就可以转
换为等效的四对斜置多垫平面支承。按平衡条件可
得下列关系：
W = F0 + F1 cosϕ1 + F2 cosϕ2 由于：F1 sin ϕ1 − F2 sin ϕ2 = 0 ；e1 ≈ e cosϕ1 ；
度下，油膜压力作用于轴表面所能负担的外载荷，
油膜厚度须使油垫和被支承件的表面互不接触。
T =W =
2 ps Ae
1+ 1+ 4λ0 (1+ λ0 )(1− ε )6
式中，Ae 为环形油腔等效承载面积；ps 为进油
压力；λ 0 为液阻比；ε为偏心率；
轴承刚度方程 油膜刚度是指油膜抵抗载荷
变动的能力（并不是它承担载荷的能力），也就是
大重型静压支承静态性能及油膜流体仿真
唐 军 1，黄筱调 1，张 金 1,2
(1.南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 210009； 2.南京工大数控科技有限公司，江苏 南京 210009)
摘 要：为了解决大重型数控转台的单油腔静压推力轴承无法承受偏载荷问题，提出了单油腔静压支承与静压径
向轴承复合设计方案。同时，为了方便静压径向轴承油腔加工，提出了一种新式回型槽油腔结构。此种结构的油
产生单位油膜厚度变化所需的载荷变动量。任意油
膜厚度下的刚度方程由式可推导如下
图 2 静压芯轴
Fig.2 hydrostatic central spindle
流量计算方程 圆柱面回型油腔内部油液的
特点是使油腔槽和油腔槽内侧的油膜形成均压，并
通过圆柱面与基座之间的轴向和周向间隙来进行
节流。现以一对相互对置的圆柱面回型油垫为研究
腔加工区域仅占单油腔总面积的 10％，而承载区域达到 75％以上。然后，综合应用三维造型软件 Pro/ENGINEER
和 CFD 软件 FLUENT，模拟分析圆环形静压支承和回型槽油腔的流速分布及压力分布，揭示了两种油腔结构内部
油液流动规律，并计算各自的静态性能，实验验证表明，该设计方案正确性与合理性。
式选用的是薄壁小孔节流。
λ0
=
Rc Rh
=
ΔPπ2ρh06 ln2
⎛ ⎜ ⎝
r4 r3
r2 r1
⎞ ⎟ ⎠
18μ 2Cd2
A2
ln 2
⎛ ⎜ ⎝
r4 r3
⎞ ⎟ ⎠
ln 2
⎛ ⎜ ⎝
r2 r1
⎞ ⎟ ⎠
此处，ρ 为密度； Cd 为流量系数；A 为节流小
孔面积；h0 为油膜厚度；μ 粘度；
承载能力方程 承载能力，是指在一定油膜厚
+
(B − b1 )
Rθ1
；
KB
=
2R sinθe b1
+
(B − b1
Rθ1
)
cosθe
；
KC
=
θeR
+
1 2
R
sin
2θe
b1
+
(B − b1
Rθ1
)
cos
2
θe
；
( ) KD
=
2R sinθe 2 +Leabharlann Baidu3b1
cos2
θe
+
(B − b1
Rθ1
)
cos3
θe
；
当 ε = 0 时，即轴承未受外载荷作用，单腔圆
担。同时，为了方便静压径向轴承油腔加工，提出 了一种新式回型油腔结构，并给出了其静态性能表 达式。最后通过数值模拟和实验，验证设计方案的 正确性。
数值模拟是研究液体静压轴承速度场与压力 场的有效手段之一。国外，Satish C.Sharma [5]利用 有限元方法对不同油腔形状的圆形静压推力轴承 的动静特性进行了分析，发现它们的性能（刚度、 承载能力、压力和流量）有所不同；A. van Beek[6] 等对倾斜的多垫静压推力承载进行有限元分析，得 出油膜厚度的减小与载荷的偏心率线性相关； Manring Noah D[7]等在设计静压推力轴承时采用浅 油腔,而不是传统的深油腔,并找出了它们的细微差
)(1
−
ε
)6
⎤ ⎥⎦
2
4λ0 (1 + λ0 ) 1 + 4λ0 (1 + λ0 )(1 − ε )6
2.2 回型定量供油式径向轴承承载能力表达式
在以往的静压径向轴承工程实际应用中，矩
形、扇形和圆形油腔是比较常见的几种油腔形式。
而对回型油腔的理论研究与模拟分析还未见报道，
其油腔结构如图 2。
r1 r2 r3 r4
第 30 卷第 3 期 Vol.30 No.3
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）
2011 年 6 月 Jun . 2011
文章编号：1008-0562(2011)03-0426-04 DOI: CNKI:21-1379/N.20110612.2331.006
图 1 圆环形油腔简化图
Fig.1 simplified diagram of annular plane oil chamber
液阻比 在轴向均布载荷（工作台、轴的自重 和工件重量）作用下，工作台沿轴向平移距离 e ， 油垫在初始状态下的节流液阻（进油液阻）与支承 间隙的液阻（出油液阻）之比，称为设计状态下的 液阻比，简称为液阻比。本静压支承采用的节流形
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辽宁工程技术大学学报（自然科学版）
第 30 卷
e2 ≈ e cosϕ2 ；其中，ϕ1 = ϕ2 ；
承载刚度方程 将承载能力方程式对油膜偏
移量进行微分推导出油膜刚度方程
S=
∂W ∂e
=
∂F0 ∂e
+
∂F1 ∂e1
⋅
de1 de
cosϕ1
+
∂F2 ∂e2
⋅ de2 de
cosϕ2
=
S0 + S1 cos2 ϕ1 + S2 cos2 ϕ2
收稿日期：2011-01-12 网络出版时间：2011-6-12 23:31:30 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1379.N.20110612.2252.003.html 基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项：大重型数控回转工作台关键技术研究与开发应用(2010ZX04011-032) 作者简介：唐 军(1982-)，河南 新乡人 研究生，主要从事大重型数控转台承载能力研究，本文编校：焦 丽
第3期
唐 军，等：大重型静压支承静态性能及油膜流体仿真研究
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别。国内，邵俊鹏[8]等利用 FLUENT 研究静压轴承 椭圆腔与扇形腔的静止状态流场；于晓东[9]等提出 了等面积当量半径概念对油腔进行简化并通过实 验与 FLUENT 模拟验证了其理论推导；张琰[10]等 借助 FLUENT 软件分析了油腔的不同结构参数对静 压轴承静态性能的影响，并得出静压轴承最优结构 参数。