圆形腔多油垫恒流静压推力轴承流场数值分析

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数控车床主要服务于重型机械、航空航天、舰船制造、能源、交通和国防等国家重点行业领域，是我国装备制造业具有代表性的产品.静压推力轴承作为重型数控装备的主要组成部件，其性能优劣对数控装备的运行效率和加工质量有直接影响。

液体静压轴承具有静摩擦系数极孝承载能力特别大、启动转矩孝使用寿命长，而且由于液体油收稿日期：2012-12-25基金项目：国家自然科学基金(51075106)；黑龙江侍育厅科学技术研究项 目(12511087)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资金(2012RFQXG077)；大学生创新创业训练计划项 目(201210214027)。

作者简介：于晓东(1971- )，男 ，博士，教授 ，硕士生导师，E-mail：hustyuxiaodong###163.corn；李欢欢(1988-)，女 ，硕士研究生 ；谭 力(1988-)，男，硕士研究生。

42 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 18卷膜有非常好的阻尼特性、减振特性和高刚度特点，使得切削时产生的振动较小，主轴回转精确度较高等特点.静压推力轴承由于具有上述-系列优点，得到人们的普遍重视和应用 I4 J.但关于圆形腔多油垫静压圆导轨的研究尚未见报道，以高速重载数控车床圆形腔多油垫静压圆导轨为研究对象，应用计算流体动力学理论和润滑理论，综合分析静压圆导轨与旋转工作台间流体的三维速度惩压力场，探讨油腔腔面积对间隙流场性能的影响规律，揭示了静压圆导轨间隙流场的流动规律。

1 数学模型建立1.1 静压推力轴承工作原理液体静压推力轴承是依靠外部独立液压系统供油，油泵不工作时，油腔内无压力油，旋转工作台压在轴承底座上.启动油泵后，具有-定流量的压力油通过进油孔进人油腔，并沿封油边流出，由于四周封油边存在阻尼而形成压力油膜，克服旋转工作台自重和外加载荷，并保持旋转工作台在预定载荷和任意转速下其表面与轴承底座表面被润滑油完全分开，轴承处于完全液体摩擦状态.定量供油静压轴承工作原理如图 1所示 。

油图 1 足 量供油静压轴承"I-作不慝图1.2 控制方程旋转工作台和底座间的间隙油膜流动必须满足质量守恒定律，即连续方程。

a(pw)- 0 (1)ot ox Oy Oz式中：P为密度(kg/m )；f为时间(s)；M，口和 W为速度矢量 在 x，y和z方向的分量。

Ot Ox O y Oz - r J塞 [ A( 3x O5v )[ ( )] [ (箬 )(2) pf，Ot Ox - av azaOp3r ，.3vA( 警)啬[ ( )击[ ( ) c3a(pw)Ot - Ox 3y 3z - 韭3z rJ[ OWAf ax )] ( ) ( )c4式中 为质量力(kg)；p为压力 (N)；/x为粘性系数 ： 为第 二分子 粘 摩 .对干 体 可 以取 为 -2/3。

2 数值计算方法2.1 计算流体动力学计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)就是采用离散化方法在计算机上对流体力学问题进行数值模拟和分析的-门学科.计算流体动力学是进行传热、传质、动量传递、燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于静压推力轴承设计、航天航空器设计、车辆设计、锅炉设计、电动机设计、涡轮机设计、汽轮机设计等诸多工程领域.基本方法为：利用有限个离散点上的变量值替代时间域或空间域上连续的物理量，通过特定的原则和方法组成关于这些离散点上变量之间关系的代数方程组，求解代数方程组，然后获得场变量的近似值。

2.2 计算步骤1)建立体现工程实际的数学模型.建立流体质量连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程等基本控制方程，以及这些方程相应的定解条件。

2)确定针对控制方程的数值离散化方法.如有限元法、有限差分法、有限体积法等。

3)求解计算.对模型进行网格划分、控制参数、初始条件和边界条件设定等。

4)结果后处理与分析.对数值模拟计算结果进行显示和分析 m J。

3 数值计算结果与分析为了研究圆形腔腔面积对间隙油膜压力和流速哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 18卷由图8可以看出油腔压力随着油腔面积的增大而缓慢增加，在某-油腔面积处压力达到最大，而后油腔压力随腔面积的增大而逐渐减小，即油腔面积为瓦面积的72%时油腔压力最大，说明此时油腔的承载能力最高.由图9可以得到随油腔面积增大，方向、l，方向和 z方向流速基本无变化，保持恒定，但 y方向流速最大，z方向流速最懈乎为零，从流速曲线可以得出油腔沿周向流量是径向流量的2倍左右.从速度矢量图还可发现，每个油腔流量由压差流和惯性流组成，压差导致润滑油沿着油腔四周向外流出，但工作台旋转惯性导致与旋转方向相同的周向流量变大，流动迹线发生弯曲，根据叠加原理可以得到每单个油腔的出油边流量比入油边流量高。

4 结 论应用计算流体动力学和润滑理论，数值求解了圆形腔多油垫恒流静压推力轴承间隙流体的流场性能，具体结论如下。

1)利用计算流体动力学实现了静压圆导轨与旋转工作台间流体的三维速度惩压力场的数值计算，探明了间隙流场的性能特性，为热油携带分析提供了前提条件。

2)圆形腔的油腔压力随着油腔面积的增大而缓慢增加，在某-油腔面积处腔压达到最大，而后腔压随腔面积的增大而逐渐减小，即油垫面积为腔面积的72%时腔压最大，说明此时静压推力轴承承载能力最高，该结论为静压推力轴承油腔结构优化提供了理论依据。

3)静压油腔腔面积对流体三维速度场的影响很小，所以研究流体速度时可以忽略油腔腔面积的影响。