APP下载

高速精密轧辊磨床动静压轴承的流固耦合分析

2020-11-30李训波

中国电气工程学报 2020年17期

李训波

摘要:工业化建设进程不断推进的新市场经济常态下,为全面提升企业的市场核心竞争力,将轧辊磨床应用于生产环节现已迫在眉睫为此本文就通过采用“流固耦合分析法”,就动静压轴承装配体的结构静力学展开了系统化剖析。

关键词:高速精密磨床;动静压轴承;流固耦合分析

引言:与传统静压轴承和动压轴承的油膜轴承相比,液体动静压轴承在使用过程中具有损耗量低、承载力高以及使用寿命长的显著优势,此外相比其它机械设备,在生产环节还保证了作业范围以及作业动态性能,因此为对动压滑动轴承油膜和轴瓦进行系统化剖析,现阶段将“流固耦合”分析法实践其中,在确保静力学分析数据精准度的基础上,推动了产业的进一步发展。

一、建模

(一)轴承结构和网格划分

就目前来看在进行建模作业操作时,需对原有轴承进行重新设计,确保其在满足主轴高速运转作业要求的基础上扩大液体动静压轴承的应用范围和运行效率,具体设计如下图所示:

与传统轴承相比,这种轴承最大的特点在与它是可调式的,根据图1可知,轴承的表面有四个锥形肋板均等分布,且每个锥形肋板上都配备一个轴承套用以推动推板。在向左或向右宁东过程中,轴承也会随之向左或向右移动。图2轴承与油膜流固耦合面参数,将两者进行对比分析可知动静压轴承装配体有着较多的数量,但彼此之间的配合较为紧密,形状也十分规则,因此在进行划分时需尽量采用六面体网格划分,在借助“流固耦合”分析法进行分析时,为减少工作人员的计算量,需采用2mm网格,并以流固耦合面为基础对网格结构以及静力学进行系统化剖析,因此确保数据分析结果的精准度和科学性。

(二)油膜结构和网格划分

就目前来看,通过图3和图4可知,在对油膜结构进行网格划分的过程中,为确保划分的科学合理性,工作人员需明确了解的数据主要有主轴直径、最大偏心距以及最大偏心率。在划分时采取的主要软件是Gambit,据了解可知由于轴承模型油膜厚度较薄且是主要的承压区,通常在进行网格划分时主要将轴承油膜划分为静压腔油膜、过油槽油膜以及进油孔油膜,划分数量分别是4、4、8。在進行轴承划分过程中,对于可采用Map网格划分的区域将其划分为Hex六面体网格;但由于封油面厚度薄且弯曲弧度大,因此不能用Map网格进行划分,对于上述区域则一般使用Submap的网格划分方式进行划分。

二、轴承油膜应力场分析

通过采用“流固耦合分析法”对动静压轴承装配体结构静力学展开系统化剖析,为确保剖析数据的精准度和科学性,现阶段应用频率最高的软件是FLUENT。在对轴承油膜应力场进行系统化分析时,基层产业机构和相关工作人员需严格按照如下流程进行分析作业,即:将Gambit中划分好的油膜网格保存成msh文件——检查网格质量——利用FLUENT进行油膜应力场仿真——设置相关参数——设置边界条件——油膜内壁设为运动壁面,油膜外壁设为静止壁面。通过图5可知,在同等转速下油膜应力整体分布不对称,靠近油膜的出口应力最小;最小油膜厚度位置处的封油面和静压腔油膜应力比最大油膜厚度位置处的更大。

三、轴承结构静力学分析

“流固耦合分析法”对动静压轴承装配体结构静力学展开系统化剖析时,除了要对油膜应力场进行系统化时,确保轴承结构静力学分析工作的有序、有效开展也是十分必要的。从某方面而言,为确保分析数据的科学合理性,在对轴承结构静力学进行系统化分析时,基层产业机构和相关工作人员需严格按照如下流程进行分析作业,即:在Workbench中搭建动静压轴承的结构分析模块——检查网格质量——通过Fluid Flow模块导入FLUENT中计算的应力场相关文件及数据——通过static structural模块中的importedload功能将FLUENT中油膜应力场的数据结果对应添加到动静压轴承的内表面——进行油膜流畅力分析(已知动静压轴承所受力和约束力——在ANSYS Workbench中设定相关参数——固定轴承结构两端——在轴承套和端盖与箱体接触面处添加位移约束和支承力)。

四、轧辊磨床卧式加工中心转台设计方案缺陷问题的优化对策

对原分度工作台进行中心转化的过程中,为从根本上提高转化质量和转化效率,工作人员需对卸荷滑动导轨、径向定心机构和工作台夹紧机构进行不断改进,由此在提升转化质量和效率的同时,为预期转化目标的达成奠定了良好基础。与原分度工作台相比,改进后的分度台构成部分主要包括——工作台、上滑台、传动机构及齿轮副、轴向推力圆柱滚子轴承、径向定心及拉紧机构、工作台夹紧机构等,具体结构如图1所示。从某方面而言,卧式中心转台设计优化方案其实是在工作台外形及尺寸不变的情况下,通过简化其制造、装配、调整、测试流程来提高定位精度和作业可靠性的一种现代结构优化模型。

通过对比原分度工作台以及优化后的工作台可知,优化后的工作台承载导轨采用卸推力圆柱滚子轴承(P5)支承导轨,相比卸荷滑动导轨,卸推力圆柱滚子轴承(P5)支承导轨表面无需刮研,在进行安装过程中不仅降低了安装作业难度,与此同时在推动产业可持续发展中也发挥了重要性作用。除此之外轴承采用脂润滑,简化了润滑回路,在后期的长期使用过程中,工作人员只需要定期进行维护即可。

径向定心机构和拉紧机构环套集成作为工作台的重要构成部分,在工作台作业过程中发挥了重要作用,与原分度工作台相比径向定心机构和拉紧机构环套集成在简化工作台中心结构的同时,还从根本上改善了企业作业的工艺性,为预期作业目标的达成奠定了良好基础。就目前来看径向定心采用一套圆柱滚子轴承,工作台松开、夹紧时径向游隙变化极小,切实保证了定位精度,与此同时轴承内、外圈轴向可作微量相对移动;拉紧机构采用中心下拉方式,由一个拉紧油缸组成,与原结构相比,拉紧力均匀、恒定,可无级调节,此外优化后的工作台夹紧油缸中心直径也变大,在后期使用过程中可提供更大的锁紧力矩。

结束语

概而总之,这种轴承在使用过程中,由于使用的是综合了静压轴承和动压轴承特点的液体动静压轴承,因此确保机械具有损耗量低、承载力高以及使用寿命长的显著优势,为对动静压轴承装配体的结构静力学展开了系统化、精准化测量,将“流固耦合分析法”,应用其中现已迫在眉睫。

参考文献:

[1]刘文志,蔡光起,宋贵亮.用于超高速磨削主轴系统的液体动静压混合轴承的研制[J].机械制造,2018,12(15):166-169.

[2]于天彪,王学智,关鹏.基于FLUENT的液体动静压轴承的动态特性分析[J].润滑与密封,2019,02(15):133-135.