基于ANSYS的氣浮軸承有限元分析

王善軍+王國寧+王海鵬

摘要：本文基于Fluent軟件對空氣靜壓軸承的性能進行有限元分析，分析軸承在不同偏心率及不同轉速的情況下氣膜上的壓力分布，得出了軸承的承載力和剛度在不同偏心率下及不同轉速的變化規律。

關鍵詞：空氣軸承；有限元分析

0引言

超精密高速加工技術是一項重要的先進制造技術，廣泛應用于機械、航空航天、微電子、國防等高科技領域。隨著高速加工技術的迅猛發展和廣泛應用，對高速度、高精度數控機床的需求迅猛增長。傳統的滾動軸承主軸結構難以滿足數控機床的高轉速、高精度的要求。空氣軸承的電主軸具有轉速高，耐磨損，旋轉精度高的特點，電主軸是實現機床高速化的核心部件，因此，研究空氣軸承的電主軸結構對實現數控機床的高轉速、高精度是具有非常重要意義的。現在的機械加工工藝要求的主軸轉速越來越高，高轉速也越來越成為衡量一個產品水平的標志，成為商家競爭的焦點，誰先采用了更高轉速的主軸，誰便在激烈的競爭中擁有了一張硬牌。

本文以雕刻機電主軸的空氣靜壓軸承為研究對象，基于fluent軟件對氣浮軸承進行有限元分析，對軸承在高速運行狀態下的性能進行研究。

1空氣靜壓軸承的工作原理

靜壓氣體軸承的工作原理基于空氣靜壓效應，如圖1所示，壓縮空氣以供氣壓力Ps由供氣通道經節流小孔進入氣腔，然后通過軸與軸承內表面的間隙，形成氣膜，沿軸向流至軸承的端部，由此排入大氣。當節流小孔橫截面積減小時，氣流速度加快，剪切速率會增加，由于氣體具有粘性，氣體的內摩擦會消耗其動能，引起經節流小孔后氣體的壓力值產生損失，即氣腔中的壓力P0小于供氣壓力Ps，同理由于氣膜厚度非常薄，空氣在氣膜中流動時的剪切速率很大，所以氣體由氣腔流經氣膜時壓力再次損失，又因直接排入大氣，出口處的壓力即環境壓力Pa，應小于氣腔壓力P0。

在沒通入壓縮氣體前，由于軸的自重和載荷的作用，軸與軸承內表面相互貼合，氣膜厚度h為零；通入壓縮氣體時，當供氣壓力與氣腔面積乘積值超過載荷F時，軸被浮起，氣膜形成，氣腔中的壓力P0小于供氣壓力Ps，軸在氣膜壓力的支承下達到平衡。當外載荷增大時，氣膜厚度減小，氣膜的壓力會增大，支承力增加，以平衡增大的外載荷；反之，當外載荷減小時，氣膜厚度增加，氣膜壓力會減小，支承力減小，以平衡減小的外載荷。以上就是空氣靜壓效應的基本原理。

2空氣軸承性能的有限元分析

（1）求解區域的確定

由于軸承是雙排節流孔，整體模型如圖2所示，從模型可以看出兩排孔的中間有一個對稱的橫截面，將直角坐標系的XY平面與這個對稱面重合，坐標系的Z軸與軸承的軸心線重合。于是，可以取整個軸承的二分之一氣流區域作為分析對象進行分析，其模型如圖3所示

（2）有限元網格的生成

對求解區域進行網格劃分，由于高壓空氣流經軸承節流孔小橫截面通道時，其速度會急劇增加，所以在節流小孔區域，速度梯度和壓力梯度都會很大，相應的網格密度也要很高。按照此原則，對二分之一軸承模型進行網格劃分，

（4）邊界條件的確定

從八個進氣口施加供氣壓力0.6Mpa，且YZ面為對稱面，出口壓力為環境壓力，施加氣膜內壁的切向速度，其余所有表面施加速度邊界0。

（5）求解器選擇

由于幾何圖形長度尺度相差太多，所以選用Fluent3d——三維單精度求解器。

（6）選擇計算模型：

由于高速可壓流動，求解問題時網格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法

（7）求解方法的設置及其控制、流場初始化、迭代求解計算。

（8）求解及結果分析處理

供氣壓力不變時，靜壓效應條件下的氣膜壓力的分布與偏心率有關，而在高速旋轉的動壓效應條件下，氣膜的壓力分布還與轉速有關，因此我們選擇相同的偏心率，分析在不同轉速條件下的軸承動壓效應，在此取ε=0.5。假設轉軸向+Y方向偏移，觀察在不同轉速下氣膜上的氣膜壓力分布，結果如圖5所示。圖中刻度為壓強值（Pa）。

主軸處于靜態即轉速為零時，節流小孔出口處壓力為氣膜中的最大壓力，當主軸以一定得轉速旋轉時，隨著轉速的提高，動壓效應逐漸增強，氣膜區的最大壓力也會隨之增大，且氣膜高壓區隨轉動方向移動，移動方向是向軸中間受載區域移動。當轉速達到100000r/min時，氣膜高壓區已覆蓋大部分氣膜區域，且最高壓力早已超過了供氣壓力；當轉速達到140000r/min時，氣膜的高壓區擴散到所有進氣孔位置，且沿軸向高壓區不斷擴大，最高壓力也在增加。

根據氣膜上的壓力分布，可以求出氣膜壓力的合力F，即軸承的徑向承載力，在Fluent仿真計算時，將軸承的內表面定義為某名稱的墻面，然后利用Fluent軟件中的面積分指令，對軸承內表面上的壓力進行積分，得到軸承在不同轉速時的承載力，徑向承載力與主軸轉速的關系如圖7所示。

在主軸轉速為零的條件下，當偏心率ε=0.5時，軸承的承載力是164.8N，由圖6可看到，主軸轉速為100000r/min時，軸承的承載力為177.6N，由于動壓效應的作用，使承載力提高了7.8%，也就是說，如果不考慮靜壓軸承的動壓效應的話，將會產生7.8%的誤差。因此高速旋轉靜壓軸承的動壓效應不可忽略。總體上看，轉速越高，動壓效應越大，承載力隨之不斷增加。

3結論

本文首先對空氣靜壓軸承的工作原理及特點做了介紹，進而運用三維實體建模分析方法，基于fluent軟件對靜壓軸承的動壓效應進行了有限元分析，分析結果表明，在偏心率為0.5情況下，主軸轉速為100000r/min時，動壓效應的作用可以提高軸承的承載能力約7.8%，所以高速轉動的空氣靜壓軸承的動壓效應不容忽略。

參考文獻：

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