王善軍+王國(guó)寧+王海鵬

摘要：本文基于Fluent軟件對(duì)空氣靜壓軸承的性能進(jìn)行有限元分析，分析軸承在不同偏心率及不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：空氣軸承；有限元分析

0引言

超精密高速加工技術(shù)是一項(xiàng)重要的先進(jìn)制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、微電子、國(guó)防等高科技領(lǐng)域。隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)高速度、高精度數(shù)控機(jī)床的需求迅猛增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的滾動(dòng)軸承主軸結(jié)構(gòu)難以滿足數(shù)控機(jī)床的高轉(zhuǎn)速、高精度的要求。空氣軸承的電主軸具有轉(zhuǎn)速高，耐磨損，旋轉(zhuǎn)精度高的特點(diǎn)，電主軸是實(shí)現(xiàn)機(jī)床高速化的核心部件，因此，研究空氣軸承的電主軸結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高轉(zhuǎn)速、高精度是具有非常重要意義的?，F(xiàn)在的機(jī)械加工工藝要求的主軸轉(zhuǎn)速越來越高，高轉(zhuǎn)速也越來越成為衡量一個(gè)產(chǎn)品水平的標(biāo)志，成為商家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，誰先采用了更高轉(zhuǎn)速的主軸，誰便在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中擁有了一張硬牌。

本文以雕刻機(jī)電主軸的空氣靜壓軸承為研究對(duì)象，基于fluent軟件對(duì)氣浮軸承進(jìn)行有限元分析，對(duì)軸承在高速運(yùn)行狀態(tài)下的性能進(jìn)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(yīng)，如圖1所示，壓縮空氣以供氣壓力Ps由供氣通道經(jīng)節(jié)流小孔進(jìn)入氣腔，然后通過軸與軸承內(nèi)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(dāng)節(jié)流小孔橫截面積減小時(shí)，氣流速度加快，剪切速率會(huì)增加，由于氣體具有粘性，氣體的內(nèi)摩擦?xí)钠鋭?dòng)能，引起經(jīng)節(jié)流小孔后氣體的壓力值產(chǎn)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(dòng)時(shí)的剪切速率很大，所以氣體由氣腔流經(jīng)氣膜時(shí)壓力再次損失，又因直接排入大氣，出口處的壓力即環(huán)境壓力Pa，應(yīng)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(nèi)表面相互貼合，氣膜厚度h為零；通入壓縮氣體時(shí)，當(dāng)供氣壓力與氣腔面積乘積值超過載荷F時(shí)，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(dá)到平衡。當(dāng)外載荷增大時(shí)，氣膜厚度減小，氣膜的壓力會(huì)增大，支承力增加，以平衡增大的外載荷；反之，當(dāng)外載荷減小時(shí)，氣膜厚度增加，氣膜壓力會(huì)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(yīng)的基本原理。

2空氣軸承性能的有限元分析

（1）求解區(qū)域的確定

由于軸承是雙排節(jié)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(gè)對(duì)稱的橫截面，將直角坐標(biāo)系的XY平面與這個(gè)對(duì)稱面重合，坐標(biāo)系的Z軸與軸承的軸心線重合。于是，可以取整個(gè)軸承的二分之一氣流區(qū)域作為分析對(duì)象進(jìn)行分析，其模型如圖3所示

（2）有限元網(wǎng)格的生成

對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于高壓空氣流經(jīng)軸承節(jié)流孔小橫截面通道時(shí)，其速度會(huì)急劇增加，所以在節(jié)流小孔區(qū)域，速度梯度和壓力梯度都會(huì)很大，相應(yīng)的網(wǎng)格密度也要很高。按照此原則，對(duì)二分之一軸承模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，

（4）邊界條件的確定

從八個(gè)進(jìn)氣口施加供氣壓力0.6Mpa，且YZ面為對(duì)稱面，出口壓力為環(huán)境壓力，施加氣膜內(nèi)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(zhǎng)度尺度相差太多，所以選用Fluent3d——三維單精度求解器。

（6）選擇計(jì)算模型：

由于高速可壓流動(dòng)，求解問題時(shí)網(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法

（7）求解方法的設(shè)置及其控制、流場(chǎng)初始化、迭代求解計(jì)算。

（8）求解及結(jié)果分析處理

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

主軸處于靜態(tài)即轉(zhuǎn)速為零時(shí)，節(jié)流小孔出口處壓力為氣膜中的最大壓力，當(dāng)主軸以一定得轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，動(dòng)壓效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，氣膜區(qū)的最大壓力也會(huì)隨之增大，且氣膜高壓區(qū)隨轉(zhuǎn)動(dòng)方向移動(dòng)，移動(dòng)方向是向軸中間受載區(qū)域移動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100000r/min時(shí)，氣膜高壓區(qū)已覆蓋大部分氣膜區(qū)域，且最高壓力早已超過了供氣壓力；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到140000r/min時(shí)，氣膜的高壓區(qū)擴(kuò)散到所有進(jìn)氣孔位置，且沿軸向高壓區(qū)不斷擴(kuò)大，最高壓力也在增加。

根據(jù)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(jì)算時(shí)，將軸承的內(nèi)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(duì)軸承內(nèi)表面上的壓力進(jìn)行積分，得到軸承在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的承載力，徑向承載力與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖7所示。

在主軸轉(zhuǎn)速為零的條件下，當(dāng)偏心率ε=0.5時(shí)，軸承的承載力是164.8N，由圖6可看到，主軸轉(zhuǎn)速為100000r/min時(shí)，軸承的承載力為177.6N，由于動(dòng)壓效應(yīng)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(dòng)壓效應(yīng)的話，將會(huì)產(chǎn)生7.8%的誤差。因此高速旋轉(zhuǎn)靜壓軸承的動(dòng)壓效應(yīng)不可忽略。總體上看，轉(zhuǎn)速越高，動(dòng)壓效應(yīng)越大，承載力隨之不斷增加。

3結(jié)論

本文首先對(duì)空氣靜壓軸承的工作原理及特點(diǎn)做了介紹，進(jìn)而運(yùn)用三維實(shí)體建模分析方法，基于fluent軟件對(duì)靜壓軸承的動(dòng)壓效應(yīng)進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，在偏心率為0.5情況下，主軸轉(zhuǎn)速為100000r/min時(shí)，動(dòng)壓效應(yīng)的作用可以提高軸承的承載能力約7.8%，所以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的空氣靜壓軸承的動(dòng)壓效應(yīng)不容忽略。

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫詩鑄.靜壓空氣軸承性能的實(shí)驗(yàn)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1962，10（3）：16-31.

[2] 黨報(bào)茂.氣體潤(rùn)滑技術(shù).南京：東南大學(xué)出版杜，1990.

[3] 江帆，黃鵬編著.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析。清華大學(xué)出版社.2008，8-91.

[4] 王瑞金，張凱，王剛編著.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例.清華大學(xué)出版社.2007，1-91.