一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法

摘要

一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法，本发明涉及润滑油膜模型的方法。本发明是要解决现有建立油膜模型的方法对工件效率与精度有很大影响的问题，而提供了一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。步骤A：建立工作台、底座、扇形油腔和初始油膜的模型，并将工作台、底座与油腔装配；步骤B：前处理初始油膜的模型；步骤C：在workbench中建立流程图，对静压推力轴承进行热力耦合计算分析；步骤D：封闭工作台和油腔之间的间隙；步骤E：获取间隙润滑油膜的模型。本发明应用于润滑油膜模型领域。

说明书

技术领域

本发明涉及润滑油膜模型的方法。

背景技术

在静压技术推广应用的同时国内外高校和科研单位进行了大量的实验及理论研究，包 括静压轴承的轴承结构的改进、节流器的控制方式、设计计算方法的完善等。而在重型静 压推力轴承性能研究方面，都侧重与采用定压供油方式的静压推力轴承的研究，且局限于 其实验装置、节流器型式的选择、结构优化、不同类型节流器的比较、腔型结构优化、轴 承特性和阻尼特性等方面的研究。而在对静压推力轴承承受力和热产生变形后的润滑油膜 参数的获取研究几乎空白，在以往工程计算和数值模拟中一般忽略其变形对油膜态的影响， 而实际上，这对工件效率与精度有很大影响。

静压推力轴承在实际工作中由于承载及长时间运行发热将会产生局部变形，而变形后 间隙油膜的模型参数的获取通过理论计算是不能实现。

发明内容

本发明是要解决现有建立油膜模型的方法对工件效率与精度有很大影响的问题，而提 供了一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法按以下步骤实现：

步骤A、依据试验机床的尺寸结构与给定初始油膜厚度值，使用三维建模软件建立工 作台、底座、扇形油腔和初始油膜的模型，并将工作台、底座与扇形油腔装配，导出 zhuangpei.x_t和youmo.x_t文件；

步骤B、用GAMBITZ软件对初始油膜进行网格划分，得到网格，指定流体域边界条 件并输出youmo.fluent5/6mesh文件，将youmo.fluent5/6mesh文件导入FLUENT中，输入 或选择油膜入口温度Tin初值、油膜固定壁面温度初值、油膜入口流量Q、出口压力、旋 转壁面角速度和固定壁面边界条件，然后进行模拟计算进行稳态分析最终得到youmo.cas 文件；

步骤C、在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压推力轴承进行热 力耦合计算分析：

步骤D、封闭工作台的油腔之间的间隙，在UG中导入bxh.stp文件，将油腔四周拉 伸，然后导出fb.x_t文件；其中，所述油腔四周拉伸高度保证嵌入与油膜接触的扇形工作 台面，厚度保证与油膜接触的扇形工作台面的扇形边界嵌入其中；

步骤E、得到间隙油膜的模型，实用ANSYS WOERKBECH软件重新建立工作流程 图，添加Geometry几何模块将fb.x_t文件导入，经布尔运算和填充操作得到间隙油膜模 型，即完成了一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

发明效果：

本发明方法利用计算机模拟现场实际工况下静压推力轴承承受热和力产生变形后的 变形情况，对静压推力轴承热力耦合变形后的润滑油膜参数的获取研究，获取润滑油膜参 数，揭示静压推力轴承的变形对其支撑特性、润滑特性的影响规律。这为静压推力轴承实 现高效、高精奠定了技术基础，为静压推力轴承的油腔设计提供重要参考依据，最终实现 静压推力轴承的结构优化设计和润滑系统设计提供重要的参考，避免出现静压轴承润滑失 效。计算机数值模拟过程符合实际工况，获取变形后间隙油膜的模型参数，使设计人员可 快速地获取静压推力轴承承受热和力产生变形后对其间隙油膜厚度影响的结果，为静压轴 承设计更合理的结构提供了更有价值的理论依据数值模拟结果具有更重要的实用价值。在 实际应用中，使用该方法验证的大型机床并对其进行结构优化以及对润滑油流量的合理控 制，以保证其正常、安全运转并避免发生干摩擦和边界润滑，在保证一定精度的前提下， 可以使机床转速普遍提高了30％～60％。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明步骤C的具体流程图；

图3是具体实施方式一中最终获取的变形后间隙油膜模型图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型 的方法按以下步骤实现：

步骤A、依据试验机床的尺寸结构与给定初始油膜厚度值，使用三维建模软件建立工 作台、底座、扇形油腔和初始油膜的模型，并将工作台、底座与油腔装配，导出zhuangpei.x_t 和youmo.x_t文件(其中工作台和底座为1/12模型)；

步骤B、用GAMBITZ软件对初始油膜进行网格划分，得到高质量的网格，指定流体 域边界条件并输出youmo.fluent5/6mesh文件，将youmo.fluent5/6mesh文件导入FLUENT 中输入或选择油膜入口温度T_in初值、油膜固定壁面温度初值、油膜入口流量Q、出口压 力、旋转壁面角速度和固定壁面边界条件，然后进行模拟计算进行稳态分析最终得到 youmo.cas文件；

步骤C、在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压推力轴承进行热 力耦合计算分析：

步骤D、封闭工作台的油腔之间的间隙，在UG中导入bxh.stp文件，将油腔四周拉 伸，高度保证嵌入与油膜接触的扇形工作台面，厚度保证与油膜接触的扇形工作台面的扇 形边界嵌入其中，然后导出fb.x_t文件；

步骤E、得到间隙油膜的模型，实用ANSYS WOERKBECH软件重新建立工作流程 图，添加Geometry几何模块将fb.x_t文件导入，经布尔运算和填充操作得到间隙油膜模 型，即完成了一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜模型的方法。

本实施方式效果：

本实施方式方法利用计算机模拟现场实际工况下静压推力轴承承受热和力产生变形 后的变形情况，对静压推力轴承热力耦合变形后的润滑油膜参数的获取研究，获取润滑油 膜参数，揭示静压推力轴承的变形对其支撑特性、润滑特性的影响规律。这为静压推力轴 承实现高效、高精奠定了技术基础，为静压推力轴承的油腔设计提供重要参考依据，最终 实现静压推力轴承的结构优化设计和润滑系统设计提供重要的参考，避免出现静压轴承润 滑失效。计算机数值模拟过程符合实际工况，获取变形后间隙油膜的模型参数，使设计人 员可快速地获取静压推力轴承承受热和力产生变形后对其间隙油膜厚度影响的结果，为静 压轴承设计更合理的结构提供了更有价值的理论依据数值模拟结果具有更重要的实用价 值。在实际应用中，使用该方法验证的大型机床并对其进行结构优化以及对润滑油流量的 合理控制，以保证其正常、安全运转并避免发生干摩擦和边界润滑，在保证一定精度的前 提下，可以使机床转速普遍提高了30％～60％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤A中工作台与底座 采用1/12模型分析。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤C在ANSYS WOERKBECH软件中建立工作流程图，对静压推力轴承进行热力耦合计算分析具体为：

步骤C1、导入流体分析结果，添加FLUENT模块，将步骤B中youmo.cas文件导入 到FLUENT中重新迭代计算；

步骤C2、导入装配模型，添加Geometry几何模块，将步骤A中zhuangpei.x_t文件 导入；

步骤C3、热分析，插入Steady-State Thermal模块，设置工作台、底座和油腔的材料 属性，由于只需要进行热分析和线性结构分析，故只需在材料属性窗口填上对应的密度、 杨氏模量、泊松比和导热系数；将流体分析的结果导入到热分析中以温度边界条件作用在 工作台和油腔相应接触面上，对装配体分别划分网格，设置工作台、油腔、底座的网格尺 寸大小分别为40mm、20mm、45mm；设置边界条件对空气的热对流系数，添加热载荷工 作台和对坐两侧对称面的完全绝热，然后进行求解计算；

步骤C4、线性静力结构分析，插入Static Structural模块，将流体分析结果导入到线 性静力结构分析中以压力载荷作用在工作台和油腔相应接触面上，插入重力加速度载荷， 设置底座与地面接触面的固定约束、工作台和对坐两侧对称面的无摩擦约束、工作台的圆 柱面约束，求解计算；

步骤C5、更新变形后的实体模型，复制Static Structural模块，在Static Structural模 块中右键点击geometry，再点update geometry from result file(要先打开beta选项)，找结 果文件，就在保存的文件夹***_files(或临时文件夹)里面，dp0--＞SYS(-n)--＞MECH--＞ file.rst，更新实体模型，为了方便计算由于底座对下面进行的油膜抽取没有影响故将其抑 制(即不显示不参与运算)，对工作台和油腔重新画网格网格尺寸大小分别为40mm和 20mm；

步骤C6、工作台和油腔有限元模型转化为实体模型，插入FE模块，将步骤C5中重 新画好的网格导入到FE中，调节容差15，工作台和底座的缝补公差分别为0.001和0.0051， 得到实体模型；

步骤C7、导出工作台和油腔实体，插入Geometry几何模块，在Geometry中将实体 导出bxh.stp以便在三维建模软件UG中进行操作。其它步骤及参数与具体实施方式一或 二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤C3中所述 工作台和底座为灰口铸铁，油腔铝，在材料属性窗口填上对应的密度、杨氏模量、泊松比 和导热系数。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。