基于Fluent的空氣靜壓徑向軸承動(dòng)壓效應(yīng)的分析

李國(guó)芹,岳紅新,郗艷梅

(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電力工程系,河北 滄州 061001)

空氣靜壓軸承在現(xiàn)代精密機(jī)械、儀器中的應(yīng)用日益廣泛,已成為超精密支承的一個(gè)重要發(fā)展方向?？諝忪o壓軸承是以氣體為潤(rùn)滑介質(zhì),需要外界供壓縮空氣,壓縮氣體經(jīng)節(jié)流孔進(jìn)入相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間,形成具有一定壓力的氣膜,產(chǎn)生潤(rùn)滑和支撐負(fù)載作用,氣膜的厚度在 1到 10μ m之間。因?yàn)榭諝庹扯确浅５?摩擦力可忽略不計(jì),通過(guò)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?？諝忪o壓軸承中低速工作時(shí),表現(xiàn)為靜壓潤(rùn)滑狀態(tài),但空氣靜壓軸承高速工作時(shí),使原本靜壓空氣軸承變?yōu)閯?dòng)靜壓混合空氣軸承,表現(xiàn)為動(dòng)、靜壓混合潤(rùn)滑狀態(tài),即動(dòng)壓效應(yīng)[1]。由于動(dòng)壓效應(yīng)對(duì)軸承承載力影響的分析為動(dòng)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(jì)算過(guò)程要做一些假設(shè)條件,從而帶來(lái)一些誤差。 FLUEN T軟件是一個(gè)用來(lái)模擬從不可壓縮到可壓縮范圍內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的專用 CFD軟件,針對(duì)各種復(fù)雜的流動(dòng)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(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合,從而可以高效率的解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題[2]。

圖1 靜壓軸承的動(dòng)壓效應(yīng)示意圖

1 動(dòng)壓效應(yīng)的原理

空氣靜壓軸承高速工作時(shí),表現(xiàn)為動(dòng)、靜壓混合潤(rùn)滑狀態(tài),也就是動(dòng)壓效應(yīng)。設(shè)轉(zhuǎn)軸處于如圖 1所示的坐標(biāo)系,當(dāng)轉(zhuǎn)軸繞 Z軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),假設(shè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng),則圖中 x軸上半部分氣膜的附面層的流動(dòng)是由氣膜厚的一側(cè)流進(jìn),從氣膜薄的一側(cè)流出;x軸下半部分氣膜的附面層的流動(dòng)是由氣膜厚薄一側(cè)流進(jìn),從氣膜厚的一側(cè)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(jì)算方法是對(duì)有源項(xiàng)的雷諾方程進(jìn)行求解,得到氣膜壓力場(chǎng)分布,在此基礎(chǔ)上再求出軸承的壓力場(chǎng)分布、承載力、耗氣量等靜特性。而運(yùn)用 FLUEN T軟件可以對(duì)徑向軸承進(jìn)行非常精確的數(shù)值模擬。

2.1 孔式靜壓徑向軸承的結(jié)構(gòu)

所分析軸承具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如表 1所示。具體的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 2所示。

表1 空氣靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 空氣靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)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(chǔ)

在沒(méi)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(shí),當(dāng)供氣壓力與氣腔面積乘積值超過(guò)載荷 F時(shí),軸被浮起,氣膜形成,軸在氣膜壓力的支承下達(dá)到平衡,如圖 3所示。當(dāng)外載荷增大時(shí),氣膜厚度減小,氣膜的壓力會(huì)增大,支承力增加,以平衡增大的外載荷;反之,當(dāng)外載荷減小時(shí),氣膜厚度增加,氣膜壓力會(huì)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(duì)象,建模時(shí)主要考慮氣體在節(jié)流小孔以及氣膜中的流動(dòng)。

3 軸承動(dòng)壓效應(yīng)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(dòng)壓效應(yīng),就是主要分析軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí),軸承表面壓力分布情況,即氣膜承載力的大小受轉(zhuǎn)速的影響,因此將從節(jié)流小孔處到軸承間隙間的流動(dòng)氣體作為主要研究對(duì)象,建立三維模型。如圖 4所示?？紤]到軸承的結(jié)構(gòu)具有幾何對(duì)稱性,為了減少網(wǎng)格數(shù)目,減少計(jì)算量,選擇整個(gè)模型的一半?yún)^(qū)域的氣體作為模擬分析計(jì)算研究對(duì)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(guò)這里時(shí),流速會(huì)急劇增加,導(dǎo)致速度梯度和壓力梯度都會(huì)變得很大,因此在劃分網(wǎng)格時(shí),在此處網(wǎng)格密度要相應(yīng)增大。由于仿真研究對(duì)象取整個(gè)模型的一半,因此需施加一個(gè)幾何平面對(duì)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(zhuǎn),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(jié)果

1)氣膜壓力場(chǎng)分布

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

圖7 不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的軸承氣膜壓力分布圖

轉(zhuǎn)速為70000 r/min時(shí),氣膜的高壓區(qū)處在節(jié)流小孔出口周?chē)浇牡胤?當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 100000 r/min時(shí),氣膜高壓區(qū)已覆蓋近 1/2孔位置面積,且最高壓力超過(guò)了供氣壓力;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到 120000 r/min時(shí),氣膜的高壓區(qū)擴(kuò)散到所有孔位置,且沿軸向高壓區(qū)不斷擴(kuò)大。當(dāng)主軸以一定的速度高速旋轉(zhuǎn)時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的提高,氣膜高壓區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大,且最大壓力也會(huì)隨之增大,動(dòng)壓效應(yīng)逐漸增強(qiáng),氣膜高壓區(qū)是隨轉(zhuǎn)動(dòng)方向逐漸移動(dòng)較明顯,移動(dòng)方向是沿主軸的受載方向,沿軸向高壓區(qū)也不斷擴(kuò)大,但較緩慢。

圖8 徑向承載力與轉(zhuǎn)速的關(guān)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(jì)算時(shí),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(duì)軸承內(nèi)表面上的壓力進(jìn)行積分,得到軸承在不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸承的承載力。徑向承載力與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖 8所示。

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

4 結(jié)論

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

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