水润滑电主轴迷宫密封充、抽气系统仿真分析

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Simulation on Filling and Pumping System of Labyrinth Seals ofW ater Lubrication High Speed SpindlesZhang Honglin(Xian Siyuan University，Xian Shaanxi 710038，China)Abstract：The labyrinth seal with charge and exhaust system was designed for water lubrication high-speed electricspindle.The internal flow field of the pressure gas and pumping system of the labyrinth seal on both sides of electric spin-dle sliding bearings was simulated based on two-phase flow model and transient model by using Gambit and Fluent compu--tational fluid dynamics software.The pressure，speed and phase diagram of the flow field at diferent time were analyzed，and the flow behavior and characteristic of the leakage water in the system was investigated.The results show that the non-contact dynamic sealing system designed can efectively pump the water for lubrication that gives away from the two sides ofsliding bearing when maintaining the minimum friction losses of the system，and thus plays a role in sealing.This researchprovides a new idea for the seal design of super high-speed spindle sliding bearing。

Keywords：labyrinth seal；high speed spindle；water lubrication；filing and pumping system随着机床高速切削技术的发展，诞生了电主轴这- 设计方案，它将电机的主轴和机床的主轴合为-体，真正实现了主传动系统的零传动。这种设计方案理论上可提供更高的转速和更高的切削精度，但以油做润滑剂时，电主轴作高速旋转时润滑油膜层与层之间的黏性剪切力极大，油膜温升很高，过高的摩擦温升限制了主轴转速的进-步提升。

水是-种良好的润滑介质，水的黏度只有油的1/100～1/20，用于超高速电主轴的润滑可有效地减少油液内摩擦所产生的热量，因而有利于进-步提升主轴的转速。但因为水具有相对较低的黏度，在滑动轴承两侧的泄漏量也会更大-些。

电主轴超高速旋转时，为了最大限度减少摩擦阻收稿日期 ：2012-07-26作者简介：张宏林 (19r72-)，男，硕士，工程师，主要从事数控机床的教学与科研工作.E-mail：elihui677543###sina.eom.an。

迷宫密封属非接触式密封，用于滑动轴承两侧的密封，可最大限度地减少超高速旋转的转子与密封装置的摩擦损耗与发热。但迷宫密封不可避免地会存在泄漏，为了防止水泄漏至电机造成电主轴的烧毁，本文作者借鉴航空发动机的密封思路，设计了带充、抽气系统的迷宫密封，作为电主轴的主密封，可在使用非接触密封的同时完全避免水的内泄及外漏。

1 迷宫密封充、抽气系统结构及工作原理带有充、抽气系统的迷宫密封的结构如图1，2所示。其工作原理为：图1左端滑动轴承泄漏出的水，会进入迷宫密封的储水环槽。该迷宫密封从左往右依次有3个储水环槽和3个径向密封间隙。但迷宫密封属间隙密封不可能完全杜绝水从左向右侧泄漏，为此在该密封的右端设计了储气环槽和32个压缩空气入口，依靠压缩空气从反方向阻止水向右俱j泄漏；同时在每-个储水环槽处底部沿周向分布3个负压抽2013年第2期 张宏林：水润滑电主轴迷宫密封充、抽气系统仿真分析 77气管路以引导泄漏水的外流。

口图 1 充抽气系统轴 向剖图Fig 1 The axial cross-sectional diagram of chae pumping system- 负j气口图2 充抽气系统A-A径向剖图Fig 2 A radi sectional view of A-A 0f charge pumping system2 模型的建立采用 Gambit建立仿真模型，利用 Fluent软件对滑动轴承迷宫密封充 、抽气系统的流厨行三维数值模拟，得到不同时刻流场的水和空气二相分布、压力分布、速度分布，从而对密封性能进行评估。

2.1 几何模型的建立为避免模型过于复杂导致网格数量太大，造成运算困难，对迷宫密封实体结构做了适当的简化处理，只截取了-个间隙、-个环形槽和环形槽对应的3个抽水管道。在环形槽内预先存储-定量的泄漏积水，通过仿真分析充、抽气系统能否有效地将水排出。采用 Gambit软件建立的内部流道几何模型如图3所示。

图3 流场整体几何模型Fig 3 Flow field overal geometric model2.2 网格化分网格生成是数值计算的第-步，也是 CFD模拟过程中最重要的环节 ，约占整个仿真工作量 的 80%左右 ，网格生成的好坏直接影响模拟精度和效率。

网格划分过疏往往得不到精确的结果，网格过密又会导致计算量增大及计算难以收敛，同时错误的网格划分方法还会导致错误的结论。

· 本文作者经过反复试验，采用多处分块，最终整体得到结构化网格划分，其中网格间距为0.5 m，网格划分数量为 340 025个。体网格采用 hex/map或Gambit特有的 hex/wedge，cooper网格划分方法 ，划分好的网格如图4所示。

图4 流场网格的划分结果Fig 4 Division ofthe flow field d3 Fluent软件主要参数的设置3.1 多相流模型选择充抽气系统因有狭长问隙存在，故应选用三维双精度计算模型。因进行压气、抽水二相流仿真，管道内预先存有-定量水，在抽水过程中水量会不断发生变化，因此 只能采用瞬态 (非定常)方法仿真。计算精度采用默认的二价迎风离散，多相流采用 VOF(Volume of Fluid Mode1)二相流模型。

VOF模型是-种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法，可得到多种互不相融流体间的交界面，在VOF模型中，不同流体组分公用-套动量方程，处理穿过区域的每-流体的容积比来模拟几种不能混合的流体。计算时，在全场每个计算单元内，都记录下个流体组分所占有的体积率 J。

3.2 湍流模型的选择决定数值模拟结果准确性的另-个重要因素是湍流模型的选择，其中k-8模型是在湍动能 方程的基础上，引入了湍动耗散率 的方程。对于旋转机械流场模拟而言，可实现 - 适合的流动类型比较广泛，包括均匀有旋剪切流、自由流、腔道流动和边界层流动，对以上流动过程模拟结果都比标准 -占模型的结果好 。因此模拟时选用可实现 -占湍流模型进行计算。

3.3 边界条件模型的压缩空气进口是缝隙为0.105的环形间78 润滑与密封 第 38卷隙，进口边界类型选为压力人口 (Presure Inlet)，进气压力为0.7 MPa，为用于密封的充气压力。最右端管道为压力出口 (Pressure Outlet)，吸气表压为- 0.05 MPa，速度方向垂直于进 口面，固定壁面采用无滑移、无渗透边界条件 (Wal边界类型)，近壁面区域采用标准壁面函数。

3.4 其他设 定为了单纯地考察充 、抽效果 ，不考虑重力的影响(因重力的影响作用相对很小)，但考虑壁面黏附效应和水的表面张力。在两相流操作环境中设置空气为基本相 ，其密度 为参考密度 ，位置为 (0，0，0)，这样可减少计算两项动量平衡时的截断误差 。时间步长初始时采用1 p.s，计算稳定后可逐步增加时间步长 ，收敛准则的残差均设置为 1 X 10-5。

4 求解方法本算例Fluent需要求解的方程组包括连续性方程(Flow)、动量方程 (Volume Fraction)和可实现 k-8湍流模型方程 (Realizable Turbulence)。3个方程表述如下：张量形式的质量守恒方程 ：(pu )0 (1)ONi张量形式的动量守恒方程- 毒毒Ox( -p 5 c2) a ， a ， .、 J， 、湍流的可实现k- 模型的湍动能及耗散率输运方程为 ： 毒 Ix t/ok， 1GkGb- a a a .L 。r，a .Jp -yM (3) 击[( 0%1] 3x 1pC E -jJa a . a Lpc2 旦 - cl 詈c Gb (4)十 √ VE式中：C m.x[O·43， J，叩 Sk/6；G 表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生；G 表示 由于浮力影响引起的湍动能产生；，M表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；C 、C" C。、A。是经验常数，C。 1.44，C 0.09，C 1.9，A。4.0；湍动能k与耗散率 8的湍流普朗特数分别为 or 1.0，or 1.2。

求解器选择压力基隐式求解器，按顺序先通过动量方程求解速度场，继而通过压力修正方程使得速度场满足连续性条件，然后求解组分方程和湍流方程 。压力差值格式为标准差值，针对非稳态可压流动，压力速度耦合采用压力的隐式算子分割 (PISO)算法。PISO算法使用了预测 -修正 -再修正3个步骤，从而加快了单个迭代步的收敛速度 。对于瞬态问题，PISO算法有明显优势。扩散项的离散格式采用中心差分格式 ，对流项的离散格式采用二阶迎风格式。本模型为含有旋转的流动，控制方案中压力差值方式设置为 PRESTO! 。

5 模型计算结果及分析5.1 初 始 化采用 Compute from all-zones对全区域初始化 ，在附加初始化中设定初始状态静止水区域为水充满环形槽距离中心5 mm以下处。如图5 (a)所示，其中深色部分为水，浅色部分为空气。

图5 不同时刻的流场两相图Fig 5 The flow field phase diagram at diferent times5.2 仿真 结果如图5所示 ，在初始的 2.1 InS时，最右端 的竖直管道离出口最近，流通阻力最小，流速较大，因此0.7 MPa的压缩空气率先将右端水管的液面压缩。左端和中间的流管液面虽也被向下压缩，但被压缩量没有右端流管 的大，流速也远没有右端水管的大 (见润滑与密封 第 38卷5.3 主轴 30 000 r/min时的抽 水情况充、抽气系统正常工作时主轴处于高速旋转，因此在仿真系统收敛的情况下，将初始时间步长降至0.5 s，主轴转速逐渐升至 30 000 r/rain，此工况在更短的时间内将水抽干。其相图如图1l所示▲出口流量比较如图 l2所示。

(a)O.732ms时相图 (b)3ms时相图图 11 主轴 30 000 r/min时相图Fig 1 1 Phase diagram of spindle at 30 000 r/rain7， 65432l00.01 0.19 0.68 I.13 l79 2.65 4.96 6.35 7.76 9.180.11 0.44 0.76 1.16 2.31 4.27 5.92 O· 8.18 9.68时间t/(x10 s1图l2 主轴30 000 r/min时进口空气和出口水体积比较Fig 12 Comparison of impo air volume and expon watervolume when spindle speed is 30 000 r/rain对其抽水过程总结如下：(1)主轴高速旋转时，轴带动环形腔体内的水旋转 ，被压缩空气吹出管道外 ，从图 12中可看出，这时的排水量远大于轴静止时的排水量。

(2)单位进气的排水量也远大于轴静止时单位进气的排水量，而且在环形腔体内的水没排完时，排水量更大，排水效率很高，甚至排出空气的体积和排出水的体积-样多。

(3)在环形腔体内的水排干时，排水量下降，和轴静止时的情况基本接近，轴高速旋转对排水量的影响变校(4)整个流畅内压力梯度明显，出水口基本维持在设定的负压，但在空间上只占很小-部分。流场内大部分为正压，且压力大部分时间维持在 0.2～0.5 MPa，少部分时间会达到设定的0.6～0.7 MPa。

5.4 讨论(1)从整个仿真过程来看，充、抽气系统能在很短的时间内有效地排出滑动轴承间隙处泄漏到环形腔体内的水 ，而且因压气的能量比负压更大，在排水过程中起主导作用 ，负压只起到了对水的引导作用。

(2)系统抽水量和整个管道内的存水量有关，当管道内存水量少时，相应的排水量也变少。因此整个排水过程中，排水量是呈下降趋势的。

(3)从初始阶段进入相对平衡阶段后 ，进气量相对较平稳，但也存在波动，而且这种波动和排水情况有关，若排水量减小，则进气量增大；若排水量增大，进气量则减校(4)因为是空气携带着水在往出口处走，大量的空气直接从出口处排出，在作无用功，因此这种排水方式效率并不高，存在着能量的浪费，但这种排水方式是可靠的，因此这种充、抽水的密封设计方案是可行的。

6 结论该设计采用纯水润滑，故滑动轴承发热量小；迷宫密封属非接触式密封，该处摩擦发热也可降到最低点，这为高速电主轴转速提升至50 000 r/min提供了条件，而充抽、气系统则解决了间隙密封工况下密封不严的缺陷，有效地保证了主轴电机的安全。