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标题 不同腔形结构静压轴承油膜温升特性对比分析
范文 郭玉鹏　张艳芹　邓力源　张海霞


摘 要：静压轴承间隙润滑油膜的温升是导致轴承本体变形的主要因素，为了探究不同腔形结构下静压轴承油膜温升特性，对工程实际应用较广泛的扇形油腔、椭圆形腔、矩形油腔、工字形油腔四种腔形结构静压轴承油膜温度场数值计算，并对相同工况条件下等腔面积的四种腔形结构静压油膜温升特性进行了对比分析。结果表明：矩形腔和扇形腔静压推力轴承油膜温度场分布情况相似，与椭圆形和工字形腔不同，温升由高到低依次为工字形腔、椭圆形腔、扇形腔和矩形腔。该研究结果可为静压轴承热变形预测提供理论依据，并为工程中油腔结构设计提供参考。
关键词：静压轴承；热变形；润滑油膜；温升特性
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.010
中图分类号： TH133.3
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0055-04
Abstract：The temperature rise in the clearance oil film of the hydrostatic bearing is the main factor for the deformation of bearing body. In order to study the temperature rising characteristics of hydrostatic bearing oil film under different cavity structure， this paper calculated the temperature field of the hydrostatic bearing oil film with four different cavity structures： sector cavity， elliptical cavity， rectangular cavity and Isection cavity， which are widely used in engineering practice， and made a comparative analysis of temperature rising characteristic of hydrostatic bearing oil film with the four kinds of cavity structures under the hydrostatic bearing running in the same conditions and equivalent cavity areas. The results show that， the rectangular cavity and the sector cavity have a similar temperature field distribution of the hydrostatic bearing oil film， which is different from that of elliptical cavity and Isection cavity， and the temperatures rise from high to low is Isection cavity， elliptical cavity， sector cavity and rectangular cavity. The research results can provide a theoretical basis for the prediction of thermal deformation of hydrostatic bearing， and also provide as reference for the engineering design of oil cavity structure.
Keywords：hydrostatic bearing； thermal deformation； oil film； temperature rising characteristics
0 引 言
液体静压轴承的润滑方式为流体膜润滑，属于全液体摩擦轴承，具有摩擦系数极低、启动功率極小、支撑精度高、油膜刚度大、效率高、抗振动及使用寿命长等优点，因而在机床制造业中得到较快的发展和应用。近年来，国内外已将液体静压轴承及动静压轴承应用于动力机械、军事装备、航空航天、冶金电力设施及核工业中。
本文所研究的多油垫式静压轴承由于其结构尺寸大，多用于重型数控装备制造业中，与普通静压支承比较，在具有普通静压支承的一系列特点外，还具有承载能力强，线速度高，发热量大等特点，由此，静压轴承间隙润滑油膜的温升是导致轴承本体受热不均产生变形的主要因素。
近年来，关于静压轴承热影响方面研究主要如下，学者江云、侯国安等针对液体静压导轨热特性进行有限元分析，建立了液体静压导轨动导轨有限元模型，根据动导轨在不同工作环境下做不同运动时产生的热变形[1]。学者苏浩以液体静压主轴为研究对象，针对其主轴的流体-结构耦合进行分析，分析了温度场和压力场对液体静压主轴油膜间隙的影响[2]。学者SATISH对不同油腔形状的静压轴承的静态和动态性能进行了理论分析，探究了其对静压轴承承载性能的影响[3]。GRABOVSKII在负载和转速恒定的条件下运用变积分的方法研究了气体静压推力轴承最大承载能力下的最佳间隙[4]。学者吕延军、虞烈、刘恒、杨沛然、袁春英、杨萍、孟凡明等对轴承热影响方面均进行了不同程度的研究[5-8]。学者于晓东采用流固耦合的方法，对环形油垫式静压轴承的转台及底座热变形进行模拟仿真，最后预测出了变形后的间隙油膜形状参数，并进行了实验验证[9-11]。同时该学者又得出静压轴承随着转台速度升高和承载增大，间隙油膜的惯性流量、剪切和挤压热增大，润滑油粘度下降，致使油膜厚度变薄，将会导致静压轴承液体润滑失效[12-13]。学者邵俊鹏以静压推力轴承为研究对象，建立润滑油膜的粘温方程，利用有限体积法模拟扇形腔静压轴承在不同的转速及油膜厚度下温度场。结果表明，转速对静压轴承的温度分布影响较大[14-15]。
本文针对静压轴承运行中存在的热影响问题，在团队前期研究基础上[16-20]，基于有限体积法对静压轴承间隙油膜进行了模拟计算，在油腔面积及工况相同条件下，选取工程常用的四种油腔形状油垫形式进行具体研究，从温升的角度优化油腔形状，通过研究结果为工程实际油腔结构設计及油垫形式的选择提供有价值的理论参考。
1 静压轴承工作原理及油膜模型
1.1 静压轴承工作原理
文中涉及到的静压轴承采用多油垫式圆导轨结构，其工作示意图如图1所示。静压轴承启动前，由定量油泵将油箱中的液压油经过多点分油器输送到圆导轨上的各个油垫中，通过油腔和回油槽之间的压力差，将工作台与工件顶起，实现工作台与底座之间的全液体摩擦。
1.2 油膜模型
静压轴承间隙油膜整体上采用圆环形油垫润滑型式，圆周上共包括24个油腔，并且在圆周上呈周期对称分布。根据工厂实际应用尺寸数据对重型静压轴承间隙油膜三维模型进行建模。静压轴承间隙油膜三维模型如图2所示，其中油垫模型内外半径分别为2320mm、2720mm。
在等油腔面积的基础上，依据工程实际常采用的油腔结构，建立了油腔深度相同的扇形、椭圆形、矩形和工字形腔静压导轨间隙流体三维模型，如图3所示。
2 油膜温升数学模型
静压轴承油膜摩擦功耗基本上全部转换成了油膜温升，其摩擦产生的功耗主要来源于油膜剪切作用，因此，油膜温升数学模型如下：
支承作相对滑动时液体摩擦的功率消耗：
需要指出的是，ΔT是指从封油边流出的润滑油的温度与油池润滑油温度之差值，而不是系统的绝对温升，后者取决于总功耗及散热条件。
3 数值计算及结果对比分析
油膜温升数值计算采用计算流体动力学仿真方法和FLUENT软件计算，计算时采用压力出口边界条件，四种油垫形式的油腔深度均为10mm，回油槽深度17mm，入油直径14mm，入油流量0.098kg/s，转台逆时针旋转且速度为6r/min，在此条件下分别模拟了等油腔面积的扇形腔、椭圆形腔、矩形腔、工字形腔静压轴承间隙流体的温度场。数值计算结果如图4所示。需要说明的是，温度场等值线分布图中的温度单位为热力学温度K。
由图4可以看出，矩形腔和扇形腔静压轴承油膜的温度场分布比较相似，高温带均分布在油垫左侧封油边区域，椭圆形腔高温带分布在油垫左侧封油边以及内外侧封右边区域，工字形油腔高温区域较不同，分布在两个油腔之间的封右边区域。
4种形腔静压轴承油膜温度最高值如表1所示。从表1数据可以看出，在转速较低情况下，静压油膜温升由高到低的顺序依次是工字形腔、椭圆形腔、扇形腔和矩形腔。
从理论公式分析可知，静压油膜的热量主要是通过润滑油流动循环散热，即油膜封右边各处的温升情况是油膜剪切发热与润滑油流量共同作用的结果。考虑到静压轴承油膜流量主要是剪切流量与压差流量共同作用，得出的其模拟结果的高温区域均是油膜流动较慢的区域，这一模拟结果与理论分析吻合，较好的反应出了4种静压轴承的温度分布规律。实现对静压轴承油膜温度场的预测，为进一步研究静压轴承工作台和底座热变形打下良好的基础。
4 结 论
本文通过采用数值模拟方法对静压轴承间隙油膜进行研究，得到了扇形油腔、椭圆形腔、矩形油腔、工字形油腔四种常用腔形结构静压轴承油膜温度分布，为后期不同油腔形式下静压轴承热变形计算提供了理论依据。
在转台为6r/min转速较低情况下，静压油膜最高温度由高到低的顺序依次是工字形腔、椭圆形腔、扇形腔和矩形腔。文中模拟结果与理论分析吻合，为工程实际静压轴承油垫油腔形式的选择提供理论参考。
参 考 文 献：
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[2] 苏浩. 液体静压主轴的流体-结构耦合分析及动态性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：32-39.
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[20]ZHANG Yanqin， LIU Guoliang. Coupled Solving Thermal Deformation of Hydrostatic Bearing Rotary Worktable Based On Temperature Fields of Oil Film[J]. Journal of Computational and Theoretical Nanoscience，2015，12（10）：3917-3921.
（编辑：温泽宇）
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更新时间：2025/2/5 14:45:21