基于ANSYS的气浮轴承有限元分析

王善军+王国宁+王海鹏

摘要：本文基于Fluent软件对空气静压轴承的性能进行有限元分析，分析轴承在不同偏心率及不同转速的情况下气膜上的压力分布，得出了轴承的承载力和刚度在不同偏心率下及不同转速的变化规律。

关键词：空气轴承；有限元分析

0引言

超精密高速加工技术是一项重要的先进制造技术，广泛应用于机械、航空航天、微电子、国防等高科技领域。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，对高速度、高精度数控机床的需求迅猛增长。传统的滚动轴承主轴结构难以满足数控机床的高转速、高精度的要求。空气轴承的电主轴具有转速高，耐磨损，旋转精度高的特点，电主轴是实现机床高速化的核心部件，因此，研究空气轴承的电主轴结构对实现数控机床的高转速、高精度是具有非常重要意义的。现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。

本文以雕刻机电主轴的空气静压轴承为研究对象，基于fluent软件对气浮轴承进行有限元分析，对轴承在高速运行状态下的性能进行研究。

1空气静压轴承的工作原理

静压气体轴承的工作原理基于空气静压效应，如图1所示，压缩空气以供气压力Ps由供气通道经节流小孔进入气腔，然后通过轴与轴承内表面的间隙，形成气膜，沿轴向流至轴承的端部，由此排入大气。当节流小孔横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体具有粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，引起经节流小孔后气体的压力值产生损失，即气腔中的压力P0小于供气压力Ps，同理由于气膜厚度非常薄，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时压力再次损失，又因直接排入大气，出口处的压力即环境压力Pa，应小于气腔压力P0。

在没通入压缩气体前，由于轴的自重和载荷的作用，轴与轴承内表面相互贴合，气膜厚度h为零；通入压缩气体时，当供气压力与气腔面积乘积值超过载荷F时，轴被浮起，气膜形成，气腔中的压力P0小于供气压力Ps，轴在气膜压力的支承下达到平衡。当外载荷增大时，气膜厚度减小，气膜的压力会增大，支承力增加，以平衡增大的外载荷；反之，当外载荷减小时，气膜厚度增加，气膜压力会减小，支承力减小，以平衡减小的外载荷。以上就是空气静压效应的基本原理。

2空气轴承性能的有限元分析

（1）求解区域的确定

由于轴承是双排节流孔，整体模型如图2所示，从模型可以看出两排孔的中间有一个对称的横截面，将直角坐标系的XY平面与这个对称面重合，坐标系的Z轴与轴承的轴心线重合。于是，可以取整个轴承的二分之一气流区域作为分析对象进行分析，其模型如图3所示

（2）有限元网格的生成

对求解区域进行网格划分，由于高压空气流经轴承节流孔小横截面通道时，其速度会急剧增加，所以在节流小孔区域，速度梯度和压力梯度都会很大，相应的网格密度也要很高。按照此原则，对二分之一轴承模型进行网格划分，

（4）边界条件的确定

从八个进气口施加供气压力0.6Mpa，且YZ面为对称面，出口压力为环境压力，施加气膜内壁的切向速度，其余所有表面施加速度边界0。

（5）求解器选择

由于几何图形长度尺度相差太多，所以选用Fluent3d——三维单精度求解器。

（6）选择计算模型：

由于高速可压流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法

（7）求解方法的设置及其控制、流场初始化、迭代求解计算。

（8）求解及结果分析处理

供气压力不变时，静压效应条件下的气膜压力的分布与偏心率有关，而在高速旋转的动压效应条件下，气膜的压力分布还与转速有关，因此我们选择相同的偏心率，分析在不同转速条件下的轴承动压效应，在此取ε=0.5。假设转轴向+Y方向偏移，观察在不同转速下气膜上的气膜压力分布，结果如图5所示。图中刻度为压强值（Pa）。

主轴处于静态即转速为零时，节流小孔出口处压力为气膜中的最大压力，当主轴以一定得转速旋转时，随着转速的提高，动压效应逐渐增强，气膜区的最大压力也会随之增大，且气膜高压区随转动方向移动，移动方向是向轴中间受载区域移动。当转速达到100000r/min时，气膜高压区已覆盖大部分气膜区域，且最高压力早已超过了供气压力；当转速达到140000r/min时，气膜的高压区扩散到所有进气孔位置，且沿轴向高压区不断扩大，最高压力也在增加。

根据气膜上的压力分布，可以求出气膜压力的合力F，即轴承的径向承载力，在Fluent仿真计算时，将轴承的内表面定义为某名称的墙面，然后利用Fluent软件中的面积分指令，对轴承内表面上的压力进行积分，得到轴承在不同转速时的承载力，径向承载力与主轴转速的关系如图7所示。

在主轴转速为零的条件下，当偏心率ε=0.5时，轴承的承载力是164.8N，由图6可看到，主轴转速为100000r/min时，轴承的承载力为177.6N，由于动压效应的作用，使承载力提高了7.8%，也就是说，如果不考虑静压轴承的动压效应的话，将会产生7.8%的误差。因此高速旋转静压轴承的动压效应不可忽略。总体上看，转速越高，动压效应越大，承载力随之不断增加。

3结论

本文首先对空气静压轴承的工作原理及特点做了介绍，进而运用三维实体建模分析方法，基于fluent软件对静压轴承的动压效应进行了有限元分析，分析结果表明，在偏心率为0.5情况下，主轴转速为100000r/min时，动压效应的作用可以提高轴承的承载能力约7.8%，所以高速转动的空气静压轴承的动压效应不容忽略。

参考文献：

[1] 温诗铸.静压空气轴承性能的实验研究.机械工程学报，1962，10（3）：16-31.

[2] 党报茂.气体润滑技术.南京：东南大学出版杜，1990.

[3] 江帆，黄鹏编著.Fluent高级应用与实例分析。清华大学出版社.2008，8-91.

[4] 王瑞金，张凯，王刚编著.Fluent技术基础及应用实例.清华大学出版社.2007，1-91.