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(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)是一項重要的先進制造技術(shù)，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(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應用，對高速度、高精度數(shù)控機床的需求迅猛增長。傳統(tǒng)的滾動軸承主軸結(jié)構(gòu)難以滿足數(shù)控機床的高轉(zhuǎn)速、高精度的要求?？諝廨S承的電主軸具有轉(zhuǎn)速高，耐磨損，旋轉(zhuǎn)精度高的特點，電主軸是實現(xiàn)機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)對實現(xiàn)數(shù)控機床的高轉(zhuǎn)速、高精度是具有非常重要意義的?，F(xiàn)在的機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產(chǎn)品水平的標志，成為商家競爭的焦點，誰先采用了更高轉(zhuǎn)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(tài)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(jīng)節(jié)流小孔進入氣腔，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。當節(jié)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(nèi)摩擦會消耗其動能，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，空氣在氣膜中流動時的剪切速率很大，所以氣體由氣腔流經(jīng)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(huán)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(nèi)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(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(qū)域作為分析對象進行分析，其模型如圖3所示

（2）有限元網(wǎng)格的生成

對求解區(qū)域進行網(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，其速度會急劇增加，所以在節(jié)流小孔區(qū)域，速度梯度和壓力梯度都會很大，相應的網(wǎng)格密度也要很高。按照此原則，對二分之一軸承模型進行網(wǎng)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(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(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法

（7）求解方法的設置及其控制、流場初始化、迭代求解計算。

（8）求解及結(jié)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(zhuǎn)的動壓效應條件下，氣膜的壓力分布還與轉(zhuǎn)速有關，因此我們選擇相同的偏心率，分析在不同轉(zhuǎn)速條件下的軸承動壓效應，在此取ε=0.5。假設轉(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。圖中刻度為壓強值（Pa）。

主軸處于靜態(tài)即轉(zhuǎn)速為零時，節(jié)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(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，隨著轉(zhuǎn)速的提高，動壓效應逐漸增強，氣膜區(qū)的最大壓力也會隨之增大，且氣膜高壓區(qū)隨轉(zhuǎn)動方向移動，移動方向是向軸中間受載區(qū)域移動。當轉(zhuǎn)速達到100000r/min時，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；當轉(zhuǎn)速達到140000r/min時，氣膜的高壓區(qū)擴散到所有進氣孔位置，且沿軸向高壓區(qū)不斷擴大，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仿真計算時，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，對軸承內(nèi)表面上的壓力進行積分，得到軸承在不同轉(zhuǎn)速時的承載力，徑向承載力與主軸轉(zhuǎn)速的關系如圖7所示。

在主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生7.8%的誤差。因此高速旋轉(zhuǎn)靜壓軸承的動壓效應不可忽略。總體上看，轉(zhuǎn)速越高，動壓效應越大，承載力隨之不斷增加。

3結(jié)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(jié)果表明，在偏心率為0.5情況下，主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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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