基于CFX的磨床用液體靜壓軸承數值模擬

張晉瓊

（山西工程技術學院， 山西 陽泉 045000）

基于CFX的磨床用液體靜壓軸承數值模擬

張晉瓊

（山西工程技術學院， 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，應用ANSYS-Mesh對導入的有限元模型進行分塊、單元網格劃分與局部網格細化，利用計算流體動力學軟件CFX對靜壓軸承的油膜進行穩態分析，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的快速分析提供參考，對后續研究靜壓軸承及磨床的轉子動力學分析提供理論基礎。

CFX 磨床 靜壓軸承 數值模擬

高速磨削是通過砂輪的高速旋轉來實現材料的去除，材料的去除率和磨削質量與磨床結構以及軸承的布置等有關，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，節流器是恒壓供油靜壓軸承中的一個關鍵部件，它起到了調節油腔內壓力的作用，使恒壓供油靜壓軸承具有相應的承載能力和油膜剛度。在靜壓軸承節流器中主要由固定式節流器和可變節流器兩種［1］。固定式節流器中主要有小孔、毛細管、縫隙節流器。由于小孔、毛細管及縫隙具有一定的阻抗作用，黏性流體在流經小孔節流或毛細管時產生壓力降，從而利用此特點來制造固定式節流器。流體動力學軟件CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業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反應及燃燒等問題。文章采用三維建模軟件Pro/e對采用小孔節流技術的靜壓軸承建模，應用流體動力學軟件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構如圖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，液體靜壓軸承結構有油槽與進油口，結構相對復雜，在ANSYS中建模不如Pro/e三維建模軟件便捷。文章利用Pro/e建模可以大大簡化在分析軟件中建模的過程，使ANSYS和Pro/e可以發揮各自優勢，實現優勢互補。為方便劃分網格以及快速求解，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，由于流體動力學分析會占用很大的計算內存，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 數值計算方法

2.1 基本理論

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

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；λ為傳熱系數；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

根據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構參數如表1所示。

表1 靜壓軸承結構參數

2.3 網格劃分

對導入ANSYS的靜壓軸承三維模型采用掃拐網格劃分方法進行網格劃分（如圖2所示），根據需要對網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格設置，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格劃分方法進行油膜網格劃分與局部細化，如圖3所示［4］。

圖3 油膜網格劃分與局部細化

2.4 材料性能的定義

把網格模型導入流體動力學分析軟件CFX，CFX典型計算過程包括添加流體屬性、設置邊界條件、求解分析三個階段。由于該結構采用的進油系統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生的變化［5］。所使用潤滑油參數如表2所示。

表2 潤滑油參數

2.5 邊界條件的設置

根據靜壓軸承實際工況，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）域交界面設置。此前為了便于網格劃分，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 數值計算結果

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、下節流器流經軸承外溝槽，經由下、上進油口進入下、上工作油腔，經過軸向回油槽流出。由圖5中速度矢量可以看出，上、下節流器處進油口速度較高。由于上、下節流處間隙節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小；上、下節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 結論

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

2）根據CFX對靜壓軸承進行流體動力學分析，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，為后續軸承的結構優化提供理論基礎。

［1］ 鐘洪，張冠坤.液體靜壓動靜壓軸承設計使用手冊［M］.北京：電子工業出版社，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值分析［J］.農業工程學報，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軌動靜特性的影響［J］.機械工程學報，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，畢業于太原理工大學大同學院，從事實驗室液壓方面的技術工作。