复合式动静压轴承的结构设计及仿真分析∗∗

赵亚东 梁 兴 张运真 张阳明 白肖宁

(①安阳工学院机械工程学院，河南安阳455000；②安阳莱工科技有限公司，河南安阳455000)

目前各类机床上所应用的主轴轴承主要有:高速精密角接触球轴承、陶瓷球角接触球轴承、磁力轴承和流体静压、动压、液体动静压轴承.其中,液体动静压轴承的研究在国内外受到了普遍的重视,低速重载的特性显示出其不同于普通轴承的优越性,是一种很有发展前途的支承元件.本文所设计的复合式动静压轴承同时具有动静压径向轴承和止推轴承的功能,配合主轴前端法兰的止推轴承,可以承受双向止推的功能,在国内是比较先进的动静压轴承技术.

作为机床最主要功能部件的动静压主轴,因加工状况的需求,在立式使用过程中,主轴不但承受自身重力,还要承受径向和轴向的力,转轴在径向和轴向与动静压轴承表面因压力的不均衡,易出现窜轴和抱轴的故障现象,造成加工精度降低或主轴维修,严重时主轴报废.

1 复合式动静压轴承的结构和油路设计

根据焊接构件的装夹方式和焊接方式的需求,在立式搅拌摩擦焊的过程中,搅拌头从开始旋转插入焊接构件中,搅拌轴肩压紧构件进行焊接,直至焊接结束,搅拌头抽出焊接构件,在整个焊接过程,主轴要承受插入、拔出时双向轴向力和自身的重力.结合搅拌摩擦焊的加工工艺特点和主轴双向受力的特点,设计研发一种双向止推立式动静压电主轴MHDYD60-210-1.5-3/5.5,如图1所示.主轴上下径向支承部件采用液体动静压轴承,同时在主轴轴肩上下端分别采用双动静压止推轴承结构,如图2.主轴具有刚度大、承载双向负荷等的特点,特别是在主轴轴肩下端的复合式动静压轴承,即上轴承座,采用创新的结构设计,把径向动静压轴承和轴向止推轴承设计为一体,同时承受轴向和径向的载荷.

1.1 复合式动静压轴承的结构设计

复合式动静压轴承,即上轴承座,如图3所示,包括轴承体和轴承内衬,轴承体内侧过盈安装轴承内衬,在轴承内衬的上端面均设计有4个均布的扇形动静压油腔和进油道,在进油道设计安装有小孔节流阀,同图2双向止推轴承结构示意图时,油腔均设有连通至外壁的测压油道,在测压油道内安装有油压传感器,用于检测调试4个油腔压力均衡情况,并在油腔之间设计有回油槽.同时,轴承内衬的内壁径向设计有径向推力油腔.在复合式动静压轴承的轴承内衬外表面设计有环形油槽,并设计有4个均布径向进油道与轴承内衬内壁的4个动静压油腔的轴向进油道连通.

1.2 复合式动静压轴承的油路结构

首先,由外部液压站提供的压力油通过壳体的轴向油道,进入复合式动静压轴承的轴向进油道,一路通过径向油道到达轴承内衬的环形油槽,由环形油槽分别进入4个进径向油道,并经过4个轴向小孔节流阀形成一定压力的压力油到达轴承内衬端面的扇形油腔里,实现4个扇形油腔的均匀供油.

上端面与转子轴轴肩下端面之间的压力油经复合式动静压轴承的均布回油槽进入复合式动静压轴承的轴向回油油道,最后经壳体和下轴承座回油油道,流入电主轴外部液压站.

2 复合式动静压轴承的仿真分析及初步验证

复合式动静压轴承集止推轴承和径向轴承为一体,分别对止推轴承和径向轴承进行研究和分析,并按照实际工作状态模拟加载情况,设计各项参数对所设计的动静压径向轴承和动静压止推轴承油膜进行仿真分析,验证结构设计加工的合理性,及时发现设计存在的问题,从而可以进一步实现对动静压轴承基本结构的研究和优化设计.

首先,利用FLUENT的前处理软件GAMBIT进行动静压轴承油膜几何模型的建立和划分网格,生成动静压轴承油膜的网格文件,并定义边界类型,然后用FLUENT软件模拟和分析动静压轴承中流体流动和热交换等问题,可以较为准确地计算出压力油在油腔流动过程中的温度场和压力场,进而分析出油膜的承载性能,并且根据承载特性分析出结构设计的合理性.因径向轴承的仿真分析较多,本文重点研究止推轴承的仿真分析.

2.1 复合式动静压轴承止推轴承的建模、网格划分和仿真分析

止推轴承的作用主要是防止主轴轴向位移,主要承受轴向载荷.当搅拌摩擦焊动静压电主轴进行焊接时,由于下压量,在主轴与待焊板材之间会产生一个反作用力,这个作用力又被称为顶锻力,顶锻力就是动静压止推轴承承受的轴向载荷.本文主要分析了转速、顶锻力对动静压止推轴承的温度场、压力场的影响.

复合式动静压轴承的止推轴承结构为四均布油腔结构,4个进油口分布在每个油腔的中部位置,压力油分别进入4个油腔内,与主轴轴肩之间形成一层薄薄的油膜来支撑主轴工作.

网格划分是进行仿真分析的关键性步骤,网格质量关系到迭代计算的收敛速度以及计算的精度,网格划分的优劣会很大程度上影响后期分析结果.网格的划分不仅要考虑计算精度,还要考虑到计算速度,综合考虑仿真分析的效率和质量,并根据动静压止推轴承的结构参数以及多次网格划分的尝试,最终采用结构化网格.将扇形油腔中的圆角简化为规则的扇形油腔,忽略模型中的圆角.

建立好模型并划分网格如图4,将4个小孔节流进油口设置为压力进口(pressure inlet),回油槽的4个外环端面设置为压力出口(pressure outlet),如图5中的A区域,其他面默认设置为壁面(wall),最后保存设置并输出网格文件.

2.2 复合式动静压轴承止推轴承的仿真分析

设定参数并运行FLUENT仿真计算之后,进行后处理,输出压力分布云图和温度分布云图,主要观察不同转速工作状态和不同工作载荷对动静压径向轴承的温度场与压力场的影响,分析轴承承载特性.

设置1 000 r/min、1 500 r/min、3 000 r/min 这3 个不同的工作转速,进行迭代计算.

2.2.1 空载条件下止推轴承承载能力随转速的变化规律

首先设计为空载条件下,进行计算,得到温度和压力云图,如图6和图7所示.

由图6可以看出,同一个转速状态下,4个扇形油腔的温度呈现为对称分布,每个油腔的温升以及温度等值区域都相等,由此可见,止推轴承在空载条件不同的转速状态下,油膜的稳定性保持较好.由于封油边处摩擦比较严重,随着转速的升高,油膜温升最明显.轴承座为一体复合型,止推轴承不仅与主轴轴肩端面摩擦损耗导致温度升高,而且在径向方向上靠近轴心位置时,也会与转子轴有部分摩擦导致止推轴承温度升高,所以温度在止推轴承油腔内环处达到峰值.

由图7可以看出,4个油腔的压力分布也呈现对称状态,且分布均匀.随着转速的升高,油腔的压力逐渐升高,而且压力整体分布更加均匀,再次证明了油膜的稳定性较高.止推轴承的承载能力主要受轴向载荷的影响,随着转速的升高,油膜的承载能力也得到很大提高,止推轴承在空载状态下的具体承载性能如表1所示.

表1 空载条件不同转速状态下止推轴承的承载力

2.2.2 工作载荷对止推轴承的油膜特性随转速的变化规律

搅拌摩擦焊动静压电主轴在实际焊接过程中的顶锻力大约为3 000 N,所以需要针对在正常焊接过程中油膜的温度、压力变化做仿真分析.在工作压力为空载荷的分析基础之上,在FLUENT软件中将操作条件修改为3 000 N顶锻力所对应的轴向工作压力,保持其他求解参数不变进行求解,得出的温度分布以及压力分布如图8和图9所示.

从图8可以看出,当加载3 000 N的工作载荷之后,止推轴承的温度稍有上升,但变图8加载3 000 N顶锻力不同转速下止推轴承温度分布化较小,温度变化不明显的原因主要是因为主轴转速不高,3种转速状态中完全可以满足搅拌摩擦焊动静压电主轴的加工需求.在图8b中,即搅拌摩擦焊动静压电主轴最常用的转速1 500 r/min的条件下,温度分布较空载条件下的温度分布更加均匀,整体温升分布过渡比较均匀.可知,在加载3 000 N工作载荷的条件下,止推轴承的温升依然在可靠范围之内,间接地证明了动静压止推轴承在立式搅拌摩擦焊动静压电主轴中的应用是比较合理的.

从图9中可以看出,当加载3 000 N的工作载荷之后,止推轴承的压力的变化并不十分明显,压力的变化比较细微,但在加载3 000 N工作压力的条件下,压力分布更为完整,使得止推轴承稳定性得到提高,相对应止推轴承的性能也更加稳定,止推轴承的承载力也会有所提高,如表2所示.

对比表1与表2可以看出在相同转速情况下,空载运行与加载工作压力之后止推轴承温升变化并不明显,但是压力变化较为明显,主要原因是因为当立式搅拌摩擦焊动静压电主轴在工作状态下,对待焊板材的下压力施加在止推轴承上,使止推轴承承受的压力增大,油膜压力升高；随着转速的升高,空载状态与加载顶锻力之后的压力变化越来越大.随着压力的逐渐升高,止推轴承的承载力也得到了提高,在两种不同的工作压力状态下承载力的变化如图10所示.

表2 加载3 000 N顶锻力不同转速状态下止推轴承的承载力

2.3 复合式动静压轴承的初步验证

根据负荷、间隙和加工精度等因素,选择确定使用5号主轴油,过滤精度5 μm,供油初始压力设定为2 MPa,供油后,复合式动静压轴承止推和径向静压均＞0.8 MPa,止推油腔压力均匀,主轴径向浮起量＞0.008 mm,自转灵活.通电启动运转后,复合式动静压轴承的动静压＞1.8 MPa,动静压电主轴空载运行后,参照有关的国家标准进行检测,各项技术指标均达到设计要求.

3 结语

动静压液体轴承作为主轴支撑主要功能部件之一,随着动静压技术的研究和发展得到推广和应用.本文所设计的复合式动静压轴承,考虑主轴运转过程中受力状况,将动静压径向轴承和止推轴承设计为一体,可以承受径向和轴向载荷,解决动静压电主轴轴向窜动的问题.并通过ANSYS-fluent软件重点对复合式动静压的止推轴承进行了重点分析仿真研究,不仅考虑到转速对止推轴承承载能力的影响,还分析了不同工作载荷与止推轴承承载能力的关系,重点研究了工作载荷与止推轴承温度、压力、承载能力之间的关系.同时,研究结果将对搅拌摩擦焊动静压电主轴技术提供理论支撑和技术基础.