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 bearing1.2 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;(6)采用紊流模型，对动静压轴承内流场进行求解。

1.2.2 边界条件确定(1)进油口为5个油腔入口，边界条件采用压力入口，油腔入口压力ps=7 MPa，入口温度T=298 K;(2)出油口为轴向2个端面，边界条件采用压力出口，且出油口压力与外界环境压力相等 pa=0.132 5 MPa;(3)其他部分均为壁面边界且没有热交换，其中内膜设置为动边界，外膜设定为固定边界，且润滑油与壁面与流体都无相对滑动。

2 模型求解2.1 模型选择与参数设定采用隐式定常模型进行计算，物理模型设置为紊流。

流动介质为2#主轴油，该主轴油的参数性能指标为:润滑油的密度ρ=810 kg/m3;润滑油的比热容Cp=2 000 J/(k g·K);润滑油的导热系数λ=0.37 W/(m·K);润滑油的动力黏度μ的设置考虑了温度的影响，表1为不同的温度下主轴油的动力黏度值。

表1 润滑油的动力黏度Table 1 Dynamic viscosity of lubricant温度T /K 293 303 313 323 333 343动力黏度μ/(×10－3Pa·s)3.85 2.84 2.23 1.82 1.46 1.13 2.2 计算求解图3 计算流程图Fig 3 The calculation flowchart首先设置迭代参数，初始化流场，设置迭代精度，然后进行迭代计算，并观察残差曲线，当出现迭代不收敛时，修正亚松弛因子，重新进行计算。

计算流程如图3所示。

3 计算结果及讨论3.1 不同转速下的动态特性动静压轴承是通过轴颈旋转，在封油面上产生动压效应，该动压效应和油腔静压效应共同承受外载荷，并使轴承的承载能力有所提高，所以研究动静压轴承不同转速下的动态特性，对分析轴承的动态承载，动态稳定性和温升有重要意义。

本文作者在偏心率ε=0.5，供油温度T=298 K和供油压力ps=7 MPa，并保持不变的情况下，改变轴颈的旋转速度求得轴承在不同转速下的油膜动态特性。

其结果如表2所示。

表2 不同转速下油膜的动态特性Table 2 Dynamics characteristics of film in different speeds转速v/(r·min－1)承载w/kN偏位角θ/(°)流量q/(L·min－1)平均温度T/K最高温度T/K 20 000 18.50 56.63 11.63 329.50 385.06为了对比不同转速下动态参数的差异，分别列出了转速为0、10 000和20 000 r/min下的压力场和温度场分布如图4所示。

为了清楚地分析承载力及温度的变化规律，绘制了转速与承载力及温度的关系图。

如图5，6所示。

图4 不同转速下的温度场及压力场分布Fig 4 Pressure and temperature distribution of oil film in different speed从压力分布图可以看出，在轴向，压力对称分布，油腔处压力高于封油面处压力，压力由中间向两边逐渐减小;在周向，轴承偏心处的油腔压力高于其他油腔，主要由它提供承载，其他油腔起稳定作用。

从温度分布图可以看出，在轴向，入油口处温度最低，每个油腔的温度由中间向两端逐渐上升，温度峰值区出现在油腔两侧的封油面处;在轴向，每个油腔的温度普遍低于封液面上的温度，偏心处的温度高于其他地方。

在恒定偏心率的条件下，逐渐增大主轴的转速可获得如下结论:(1)随着转速的增大，动态效应不断增强，油膜的承载能力和偏位角不断增大，但增大速率逐渐减小(曲线的曲率k逐渐减小);(2)随着转速的增大，油膜的温度不断上升，油膜的平均温度和最高温度上升较为明显，且增长速率逐渐增大 (曲线的曲率k逐渐增大)，在高转速下有失效的趋势;(3)随着转速的增大，轴承的流量先增大后减小，但幅度比较小。

3.2 不同偏心下的动态特性偏心是影响承载的重要因素，没有偏心的存在，轴承各个方向状态相同，当有了偏心的存在，轴承各个方向的状态将发生改变，压力和温度的分布开始不均匀，从而产生了新的动态特性。

本文作者在相同的条件下，改变轴承的偏心率，对模型分别进行求解计算，分别获得轴承在偏心率ε为0.1～0.5时的动态特性，包括:压力分布、温度分布、承载能力、偏位角、油膜的平均温度、最高温度、轴承的流量。

计算结果如表3所示，并在此基础上绘制了偏心承载力变化曲线和偏位角变化曲线，如图7、8所示。

在转速恒定的条件下，通过改变轴承的偏心可以获得如下结论:(1)随着偏心率的增大，轴承的承载能力不断增大，偏位角基本保持不变;(2)随着偏心率的增大，油膜的温度不断升高，主要表现为，平均温度缓慢上升，油膜的最高温度上升较为明显，温度增高的斜率不断增大，高温集中在封油面的偏心位置;(3)随着偏心率的增大，轴承的进油量有逐渐减小的趋势，但减小幅度很小。