基于CFX的磨床用液體靜壓軸承數(shù)值模擬

張晉瓊

（山西工程技術(shù)學(xué)院， 山西 陽泉 045000）

基于CFX的磨床用液體靜壓軸承數(shù)值模擬

張晉瓊

（山西工程技術(shù)學(xué)院， 山西 陽泉 045000）

以實驗室研制的高效磨床用液體動靜壓軸承系統(tǒng)為例，采用三維建模軟件Pro/e對軸承油膜進行三維建模，通過建模軟件與有限元軟件間的中間格式igs，應(yīng)用ANSYS-Mesh對導(dǎo)入的有限元模型進行分塊、單元網(wǎng)格劃分與局部網(wǎng)格細化，利用計算流體動力學(xué)軟件CFX對靜壓軸承的油膜進行穩(wěn)態(tài)分析，得到油膜上的壓力場、流場和速度場分布，對該類型的靜壓軸承的流體動力學(xué)的快速分析提供參考，對后續(xù)研究靜壓軸承及磨床的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)。

CFX 磨床 靜壓軸承 數(shù)值模擬

高速磨削是通過砂輪的高速旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)材料的去除，材料的去除率和磨削質(zhì)量與磨床結(jié)構(gòu)以及軸承的布置等有關(guān)，靜壓軸承由于其精度高、剛度大、使用壽命長、吸振抗振性能好，廣泛用于精密加工及高速、高精度設(shè)備的主軸。同時，采用動靜壓軸承可以補償由于主軸軸承問題而喪失的加工精度和表面精度，提高機床主軸精度和切削效率并可多年連續(xù)使用而不需維修［1］，因此磨床主軸主要采用液體靜壓軸承作為主軸支撐。

在靜壓軸承體系中，節(jié)流器是恒壓供油靜壓軸承中的一個關(guān)鍵部件，它起到了調(diào)節(jié)油腔內(nèi)壓力的作用，使恒壓供油靜壓軸承具有相應(yīng)的承載能力和油膜剛度。在靜壓軸承節(jié)流器中主要由固定式節(jié)流器和可變節(jié)流器兩種［1］。固定式節(jié)流器中主要有小孔、毛細管、縫隙節(jié)流器。由于小孔、毛細管及縫隙具有一定的阻抗作用，黏性流體在流經(jīng)小孔節(jié)流或毛細管時產(chǎn)生壓力降，從而利用此特點來制造固定式節(jié)流器。流體動力學(xué)軟件CFX是全球第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型商業(yè)CFD軟件［2］，采用了基于有限元的有限體積法，在保證有限體積法的守恒特性的同時吸收了有限元法的數(shù)值精確性，可以計算包括可壓流體、不可壓流體、熱耦合、熱輻射、多相流、粒子傳輸過程以及化學(xué)反應(yīng)及燃燒等問題。文章采用三維建模軟件Pro/e對采用小孔節(jié)流技術(shù)的靜壓軸承建模，應(yīng)用流體動力學(xué)軟件CFX液體靜壓軸承的流場、速度場和壓力場進行分析。

1 模型的建立

實驗室磨床用液體靜壓軸承的實體結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸承主要由軸承殼體、油腔及銅套等組成。

圖1 靜壓軸承物理模型

建立有限元模型的方法可以在ANSYS中建立，也可以通過三維建模軟件對系統(tǒng)實體建模，再通過與ANSYS分析軟件間的接口分析軟件進行分析。由于ANSYS的建模能力有限，過程繁瑣，液體靜壓軸承結(jié)構(gòu)有油槽與進油口，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在ANSYS中建模不如Pro/e三維建模軟件便捷。文章利用Pro/e建?？梢源蟠蠛喕诜治鲕浖薪５倪^程，使ANSYS和Pro/e可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。為方便劃分網(wǎng)格以及快速求解，去掉所有不重要因素并在三維建模軟件中建立油膜的三維模型，由于流體動力學(xué)分析會占用很大的計算內(nèi)存，所以在分析時本文對模型進行對稱處理，即只建立油膜軸承的一半，作為對稱界面即可，節(jié)省計算機計算時間，提高計算效率，Pro/e建立的鏡像油膜模型如圖2所示。

圖2 靜壓軸承油膜三維建模

2 數(shù)值計算方法

2.1 基本理論

任何液體流動都必須遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。該物理模型的流動規(guī)律符合以下方程［3］：質(zhì)量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

控制方程中物理量含義：ρ為流體密度；t為時間；v為速度；P為壓強；f為體積力；μ為分子黏性系數(shù)；λ為傳熱系數(shù)；T為溫度；下腳標i、j、k分別代表笛卡爾坐標系x、y、z方向。

2.2 基本參數(shù)

根據(jù)實驗室磨床用靜壓軸承實例，該型號磨床的靜壓軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 靜壓軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

對導(dǎo)入ANSYS的靜壓軸承三維模型采用掃拐網(wǎng)格劃分方法進行網(wǎng)格劃分（如圖2所示），根據(jù)需要對網(wǎng)格劃分進行密度控制。由于靜壓軸承的厚度相比直徑、寬度均相差104個數(shù)量級，油膜厚度為0.05 mm，直徑為200 mm，所以需要進行分塊以便進行局部網(wǎng)格設(shè)置，把油膜、油槽和注油口等分別進行分塊，然后采用各自的劃分網(wǎng)格劃分方法進行油膜網(wǎng)格劃分與局部細化，如圖3所示［4］。

圖3 油膜網(wǎng)格劃分與局部細化

2.4 材料性能的定義

把網(wǎng)格模型導(dǎo)入流體動力學(xué)分析軟件CFX，CFX典型計算過程包括添加流體屬性、設(shè)置邊界條件、求解分析三個階段。由于該結(jié)構(gòu)采用的進油系統(tǒng)具有冷卻主軸油的功能，所以在分析過程中不考慮主軸油的黏度隨溫度發(fā)生的變化［5］。所使用潤滑油參數(shù)如表2所示。

表2 潤滑油參數(shù)

2.5 邊界條件的設(shè)置

根據(jù)靜壓軸承實際工況，采用如下的邊界條件，如圖4所示。

圖4 邊界條件設(shè)置示意圖

1）入口邊界。由于采用恒壓力進油，在軸承油膜的上下節(jié)流器入口處選擇壓力入口邊界條件，在模擬過程中采用進油壓力Ps=5 MPa。

2）出口邊界。靜壓軸承的出口分別為軸承油膜軸向的兩個端面，設(shè)置出口邊界為相對壓力條件Pout=0。

3）對稱邊界。在分析之初，為了減小計算量將油膜沿YZ平面對稱分割，只計算1/2模型，故需在油膜的分割面上添加對稱邊界約束，在比表面上垂直于截面的速度為0，其他物理量相同。

4）域交界面設(shè)置。此前為了便于網(wǎng)格劃分，將整個流場分割為6個不同的子域，因此需要對分離后的子域進行連接，建立交界面。

2.6 后處理

對前述方程進行求解，以能量方程、連續(xù)性方程收斂精度為10-4為精度要求，分別對速度場、流場和壓力場進行分析。

3 數(shù)值計算結(jié)果

油膜流線分布及油膜流場速度矢量分布如圖5所示。由圖5中流線可以明顯看出，主軸油通過上、下節(jié)流器流經(jīng)軸承外溝槽，經(jīng)由下、上進油口進入下、上工作油腔，經(jīng)過軸向回油槽流出。由圖5中速度矢量可以看出，上、下節(jié)流器處進油口速度較高。由于上、下節(jié)流處間隙節(jié)流作用使該處速度增大，當進入工作油腔后，由于空間增大，主軸油壓力迅速降低，速度也隨之降低。

圖5 靜壓軸承流場分布

根據(jù)模擬計算得到靜壓軸承壓力場分布情況，如圖6所示。當供油壓力Ps=5 MPa時，分析圖6可得知：下工作腔壓力普遍高于上工作腔壓力，工作油腔邊緣沿封油邊方向壓力逐漸減??；上、下節(jié)流器入口處壓力較高，油膜兩端出口處壓力較低。

圖6 靜壓軸承壓力分布

4 結(jié)論

1）采用三維建模軟件建立三維實體模型再導(dǎo)入流體動力學(xué)軟件CFX，適用于復(fù)雜模型的快速建模與流體分析。

2）根據(jù)CFX對靜壓軸承進行流體動力學(xué)分析，可得到液體在軸承流場與速度場以及壓力場，對靜壓軸承承載力的計算與校核有著重要意義，為后續(xù)軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

［1］ 鐘洪，張冠坤.液體靜壓動靜壓軸承設(shè)計使用手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］ 丁源，吳繼華.Ansys CFX14.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013：18.

［3］ 杜巧連，張克華.動靜壓液體軸承油膜承載特性的數(shù)值分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008（6）：137-140.

［4］ 崔海龍，岳曉斌，雷大江，等.基于ANSYS Workbench的氣體靜壓軸承徑向特性分析［J］.潤滑與密封，2014（10）：100-103.

［5］ 王智偉，查俊，陳耀龍，等.流固耦合對油靜壓導(dǎo)軌動靜特性的影響［J］.機械工程學(xué)報，2014（9）：148-152.

（編輯：胡玉香）

Numerical Simulation of Hydrostatic Bearing for Grinding Machine Based on CFX

ZHANG Jinqiong
（Shanxi Institute of Technology，Yangquan Shanxi 045000）

Taking high-performance grinding machine with liquid hydrostatic bearing system in laboratory research for example，the oil film and spindle model were modeled by Pro/e software，and the model was partitioned by ANSYS-Mesh. The meshing of the mesh and the local network were done by ANSYS-Mesh.The oil film of the hydrodynamic bearing was analyzed by CFX software CFD.The distribution of the pressure field，the distribution of the flow field，and the analysis method can be used to provide a reference for the hydrodynamic analysis of the hydrostatic bearing，which will provide the theoretical basis for the follow-up study of the hydrodynamic analysis of the hydrostatic bearing and grinder.

CFX，grinding machine，hydrostatic bearings，numerical simulation

TH133.35

A

1672-1152（2016）05-0030-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.11

2016-10-08

張晉瓊（1982—），男，畢業(yè)于太原理工大學(xué)大同學(xué)院，從事實驗室液壓方面的技術(shù)工作。