高速精密軋輥磨床動靜壓軸承的流固耦合分析

李訓(xùn)波

摘要：工業(yè)化建設(shè)進程不斷推進的新市場經(jīng)濟常態(tài)下，為全面提升企業(yè)的市場核心競爭力，將軋輥磨床應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)已迫在眉睫為此本文就通過采用“流固耦合分析法”，就動靜壓軸承裝配體的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)展開了系統(tǒng)化剖析。

關(guān)鍵詞：高速精密磨床；動靜壓軸承；流固耦合分析

引言：與傳統(tǒng)靜壓軸承和動壓軸承的油膜軸承相比，液體動靜壓軸承在使用過程中具有損耗量低、承載力高以及使用壽命長的顯著優(yōu)勢，此外相比其它機械設(shè)備，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)還保證了作業(yè)范圍以及作業(yè)動態(tài)性能，因此為對動壓滑動軸承油膜和軸瓦進行系統(tǒng)化剖析，現(xiàn)階段將“流固耦合”分析法實踐其中，在確保靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)精準度的基礎(chǔ)上，推動了產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。

一、建模

（一）軸承結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

就目前來看在進行建模作業(yè)操作時，需對原有軸承進行重新設(shè)計，確保其在滿足主軸高速運轉(zhuǎn)作業(yè)要求的基礎(chǔ)上擴大液體動靜壓軸承的應(yīng)用范圍和運行效率，具體設(shè)計如下圖所示：

與傳統(tǒng)軸承相比，這種軸承最大的特點在與它是可調(diào)式的，根據(jù)圖1可知，軸承的表面有四個錐形肋板均等分布，且每個錐形肋板上都配備一個軸承套用以推動推板。在向左或向右寧東過程中，軸承也會隨之向左或向右移動。圖2軸承與油膜流固耦合面參數(shù)，將兩者進行對比分析可知動靜壓軸承裝配體有著較多的數(shù)量，但彼此之間的配合較為緊密，形狀也十分規(guī)則，因此在進行劃分時需盡量采用六面體網(wǎng)格劃分，在借助“流固耦合”分析法進行分析時，為減少工作人員的計算量，需采用2mm網(wǎng)格，并以流固耦合面為基礎(chǔ)對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及靜力學(xué)進行系統(tǒng)化剖析，因此確保數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精準度和科學(xué)性。

（二）油膜結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

就目前來看，通過圖3和圖4可知，在對油膜結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分的過程中，為確保劃分的科學(xué)合理性，工作人員需明確了解的數(shù)據(jù)主要有主軸直徑、最大偏心距以及最大偏心率。在劃分時采取的主要軟件是Gambit，據(jù)了解可知由于軸承模型油膜厚度較薄且是主要的承壓區(qū)，通常在進行網(wǎng)格劃分時主要將軸承油膜劃分為靜壓腔油膜、過油槽油膜以及進油孔油膜，劃分數(shù)量分別是4、4、8。在進行軸承劃分過程中，對于可采用Map網(wǎng)格劃分的區(qū)域?qū)⑵鋭澐譃镠ex六面體網(wǎng)格；但由于封油面厚度薄且彎曲弧度大，因此不能用Map網(wǎng)格進行劃分，對于上述區(qū)域則一般使用Submap的網(wǎng)格劃分方式進行劃分。

二、軸承油膜應(yīng)力場分析

通過采用“流固耦合分析法”對動靜壓軸承裝配體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)展開系統(tǒng)化剖析，為確保剖析數(shù)據(jù)的精準度和科學(xué)性，現(xiàn)階段應(yīng)用頻率最高的軟件是FLUENT。在對軸承油膜應(yīng)力場進行系統(tǒng)化分析時，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)工作人員需嚴格按照如下流程進行分析作業(yè)，即：將Gambit中劃分好的油膜網(wǎng)格保存成msh文件——檢查網(wǎng)格質(zhì)量——利用FLUENT進行油膜應(yīng)力場仿真——設(shè)置相關(guān)參數(shù)——設(shè)置邊界條件——油膜內(nèi)壁設(shè)為運動壁面，油膜外壁設(shè)為靜止壁面。通過圖5可知，在同等轉(zhuǎn)速下油膜應(yīng)力整體分布不對稱，靠近油膜的出口應(yīng)力最?。蛔钚∮湍ず穸任恢锰幍姆庥兔婧挽o壓腔油膜應(yīng)力比最大油膜厚度位置處的更大。

三、軸承結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

“流固耦合分析法”對動靜壓軸承裝配體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)展開系統(tǒng)化剖析時，除了要對油膜應(yīng)力場進行系統(tǒng)化時，確保軸承結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析工作的有序、有效開展也是十分必要的。從某方面而言，為確保分析數(shù)據(jù)的科學(xué)合理性，在對軸承結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進行系統(tǒng)化分析時，基層產(chǎn)業(yè)機構(gòu)和相關(guān)工作人員需嚴格按照如下流程進行分析作業(yè)，即：在Workbench中搭建動靜壓軸承的結(jié)構(gòu)分析模塊——檢查網(wǎng)格質(zhì)量——通過Fluid Flow模塊導(dǎo)入FLUENT中計算的應(yīng)力場相關(guān)文件及數(shù)據(jù)——通過static structural模塊中的importedload功能將FLUENT中油膜應(yīng)力場的數(shù)據(jù)結(jié)果對應(yīng)添加到動靜壓軸承的內(nèi)表面——進行油膜流暢力分析（已知動靜壓軸承所受力和約束力——在ANSYS Workbench中設(shè)定相關(guān)參數(shù)——固定軸承結(jié)構(gòu)兩端——在軸承套和端蓋與箱體接觸面處添加位移約束和支承力）。

四、軋輥磨床臥式加工中心轉(zhuǎn)臺設(shè)計方案缺陷問題的優(yōu)化對策

對原分度工作臺進行中心轉(zhuǎn)化的過程中，為從根本上提高轉(zhuǎn)化質(zhì)量和轉(zhuǎn)化效率，工作人員需對卸荷滑動導(dǎo)軌、徑向定心機構(gòu)和工作臺夾緊機構(gòu)進行不斷改進，由此在提升轉(zhuǎn)化質(zhì)量和效率的同時，為預(yù)期轉(zhuǎn)化目標的達成奠定了良好基礎(chǔ)。與原分度工作臺相比，改進后的分度臺構(gòu)成部分主要包括——工作臺、上滑臺、傳動機構(gòu)及齒輪副、軸向推力圓柱滾子軸承、徑向定心及拉緊機構(gòu)、工作臺夾緊機構(gòu)等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。從某方面而言，臥式中心轉(zhuǎn)臺設(shè)計優(yōu)化方案其實是在工作臺外形及尺寸不變的情況下，通過簡化其制造、裝配、調(diào)整、測試流程來提高定位精度和作業(yè)可靠性的一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。

通過對比原分度工作臺以及優(yōu)化后的工作臺可知，優(yōu)化后的工作臺承載導(dǎo)軌采用卸推力圓柱滾子軸承（P5）支承導(dǎo)軌，相比卸荷滑動導(dǎo)軌，卸推力圓柱滾子軸承（P5）支承導(dǎo)軌表面無需刮研，在進行安裝過程中不僅降低了安裝作業(yè)難度，與此同時在推動產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中也發(fā)揮了重要性作用。除此之外軸承采用脂潤滑，簡化了潤滑回路，在后期的長期使用過程中，工作人員只需要定期進行維護即可。

徑向定心機構(gòu)和拉緊機構(gòu)環(huán)套集成作為工作臺的重要構(gòu)成部分，在工作臺作業(yè)過程中發(fā)揮了重要作用，與原分度工作臺相比徑向定心機構(gòu)和拉緊機構(gòu)環(huán)套集成在簡化工作臺中心結(jié)構(gòu)的同時，還從根本上改善了企業(yè)作業(yè)的工藝性，為預(yù)期作業(yè)目標的達成奠定了良好基礎(chǔ)。就目前來看徑向定心采用一套圓柱滾子軸承，工作臺松開、夾緊時徑向游隙變化極小，切實保證了定位精度，與此同時軸承內(nèi)、外圈軸向可作微量相對移動；拉緊機構(gòu)采用中心下拉方式，由一個拉緊油缸組成，與原結(jié)構(gòu)相比，拉緊力均勻、恒定，可無級調(diào)節(jié)，此外優(yōu)化后的工作臺夾緊油缸中心直徑也變大，在后期使用過程中可提供更大的鎖緊力矩。

結(jié)束語

概而總之，這種軸承在使用過程中，由于使用的是綜合了靜壓軸承和動壓軸承特點的液體動靜壓軸承，因此確保機械具有損耗量低、承載力高以及使用壽命長的顯著優(yōu)勢，為對動靜壓軸承裝配體的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)展開了系統(tǒng)化、精準化測量，將“流固耦合分析法”，應(yīng)用其中現(xiàn)已迫在眉睫。

參考文獻：

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