彭 蕾 1 马 涛 2
(1.河南核净洁净技术有限公司，河南 郑州 450001；2.河南工程学院 机械工程系，河南 郑州 450001)
【摘 要 】动 静 压 轴 承 的 承 载 性 能 主 要 由 轴 承 的 动 压 、静 压 混 合 效 应 决 定 ，而 不 同 的 油 腔 结 构 又 影 响 着 动 静 压 的 混 合 效 应 。 因 此 ，本 文 在 动 静 压 轴 承 的 特 性 分 析 上 主 要 从 动 静 压 轴 承 的 油 腔 结 构 入 手 ，以 FLU ENT 为 工 具 ，着 重 分 析 了 方 形 油 腔 、三 角 形 油 腔 和 圆 形 油 腔 对 轴 承 承 载 特 性 的 影 响 ，进 而 为 动 静 压 轴 承 结 构 设 计 提 供 理 论 参 考 。
【关 键 词 】动 静 压 轴 承 ；承 载 特 性 ；有 限 体 积 法
【Abstract 】The bearing capac i ty of the hybrid bearing i s mainly determined by the mixed effect of dynami c and static pressures, which i s
i nfluenc e d by o il cavity structure. Therefore, us i ng FLUENT, thi s paper analyzed the properties of the hybrid bearing c o ns i de ri ng the o il cavi t y structure. The types of cavities were studied e mphatical l y, i .e., square, tri ang l e and c i rcular o il cavi ti e s , providing theoretic
al reference for the de s i g n of s tructure.
【Key words 】Hybrid bearing ；Bearing characteristics ；Finite V o l ume Method
0 引 言
24600rpm 。 偏 心 率 为 0~0.5，增 量 为 0.1.三种轴承的油腔结构如图 1 所
示 。
随着先进制造业的发展 ，液体动静压滑动轴承的 应用也越来越普 遍 。 而对于动静压支撑设计 ，一旦确定支撑方案后 ，对轴承性能影响最 大的是液腔的数量和结构 。 在对主轴回转性能的研究中已经证明当液 腔的数量是轴颈圆度误差多边形的整数倍时 ，轴 颈 的 圆度误差对主轴 回转精度的影响最小 。 研 究 供 液 压 力 、轴承的相对间 隙和润滑介质相 同 的 情 况 下 ，轴 承 的 承 载 力 、温升和轴颈的静平衡轨迹变化规律可以 使我们根据要求合理的布置液腔的结构形状 。 滴胶卡制作近 年 来 ,CFD 在 流 场 计 算 中 应 用 日 益 广 泛 , 并 出 现 了 如
PHOENICS 、CFX 、FIDIP 、FLUENT 等 多 个 商 用 CFD 软 件，其 中 FLUENT 是目前功能最全面 、适 应 性 最 广 、国内使用最广泛的 CFD 软 件 之 一[1]。 PYP Chen 和 EJ Hahn [2] 等 用 滑 动 轴 承 、 阶 梯 轴 承 、 径 向 轴 承 在 定 常 单 向 承 载 、稳态工况下求得雷诺 方 程 的 解 析 解，并 用 CFD 方 法 求 得 的 解 进行对比证明当雷诺数较小时 ，CFD 方法和求解雷诺方程得到的解析 解是基本重合的.而当雷诺数增大时，惯 性 项 的 影 响 增 大 , 二 者 的 压 力 分布和最大压力出现了偏差 。蒋 小 文，顾 伯 勤[3]利 用 CFD 方 法 研 究 了 收 敛楔形间隙中流体的稳态 、一元流动进行了 数 值 模 拟 , 得 到 了 间 隙 中 流体膜的压力和速度分布 ，数值模拟与解析 结 果 基 本 吻 合 , 表 明 了 数
值模拟的正确性 。
图 三种轴承油腔结构尺寸
1 2 数值模拟及分析
按照工作条件可以确定上述三种轴承均为絮流 工 作 状 态 ，且 轴 承
具 有 阶 梯 浅 腔 、小 孔 节 流 。 利 用 GAM BIT 灵活的建模方法来建立轴承 的三维网格模型并对其进行网格划 ，然 后 导 入 到 FLUENT 进 行 分 析 求 解 。 下文着重对模拟结果与实验值进行对比分
析 。
承 载 能 力 分 析
图 2 标 示出了三种油腔结构的承载能力随偏心率变化的模拟结
果与实验结果的比较 ，两者曲线走势相同 ，总 体 吻 合 较 好 。
在 偏 心 率 小 于 0.2 的 时 ， 三种结构油腔的承载能力接 近 相 同 ，但 是当偏心率大于 0.2 时 ， 三种油腔结构的承载能力有了极大的 提 升 ，
其中方形油腔具有最大 的 承 载 能 力 ，圆形油腔轴承次之 ，最 后 的 是 三
电动车测功机角 形 油 腔 轴 承 。 2．1 液体动静压轴承的油腔结构
1
1．1 常见的油腔结构形式
目前常见的油腔形状有圆形油腔 、三角形油腔和 方 形 油 腔 。 直 观
上 看 ，方形油腔是目前普遍应用的油腔形式 ，适 用 于 主 轴 转 速 较 高 、自动静压主轴
重较小的动静压轴承 ；圆 形油腔便于加工 ，该类轴承的制造费用比方 形 腔 轴 承 低 30%。 对于三角形油腔 ，将等边三角形的一个角设置成与 轴颈角速度方向相同 ，可 以减小轴承的平均轴向流量 ，进 而 提 高 稳 定 性 。Purdue 大 学 的 N.M.Franchck 与 Texas A&M 大 学 的 D.W.Ch il d 等 对 上述三种油腔轴承的性能进行了实验分析研究 ，获 得 了大量实验性结 果 。 下文即在前面章节分析的基础上 ，利 用 FLUENT 进行数值模拟分 析 ，研究了三种不同油腔 轴承的动静态性能 ，数值模拟结果与实验结 果能够较好的吻合 ，验 证 了 用 FLUENT 进行数值模拟的正确性 。
边界条件的确定
模 型 假 设 ：①滑动轴承内部流场中，流体看成不可压缩流体 ；②流 体与壁面间无热量交换 ， 高速运动时产生的热量完 全 由 流 体 带 走 ；③ 润滑油的惯性力忽略不计且油膜边界压力为零 ；④润 滑
油与固体间无 相 对 滑 动 ；⑤润滑油由进油孔进入轴承内部, 经 计 算 Re 大 于 2300, 轴 承内部为絮流状态，因此采用絮流模型 。 目 前 ，计算流体絮流模型研究 发 展 了 k-ε 模 型[4]、k-ω 模 型 、V2F 模 型 、LES 大 涡 模 拟 、DNS 直 接 模 拟 和 RSM 雷诺压力模型等 。 由 于 RSM 模型具有高精度和计算时间短的 优 点 ，因此本文对动静压轴承内流场进行求解采用 RSM 模 型 。 旋 转 过
程 中 ，不考虑轴瓦及轴颈的热变形 。
为了进行实验验证 ，数值计算时三种轴承的结构 尺寸及工作条件
消防快速接头
与实验轴承相同 。 轴 承 直 径 为 76.2mm，宽 度 为 76.2mm 。 三 种 轴 承 均 匀 五 个 阶 梯 腔 ，腔 深 为 0.127mm 。 采 用 55℃纯 水 做 润 滑 剂 ，供 油 压 力 分 别 去 4.0MPa 、5.5MPa 、7.0MPa 。 主轴转速分别取 10200rpm 、17400rpm 、
1.2 图 2 承载能力随偏心率变化曲线
正 刚 度 分 析
图 3 到 图5 分别为正刚度随偏心率 、供油压力和轴颈转速 变 化 情
况的模拟结果与实验结果的比较 。 对于这三种轴承 ，随着偏心率增大 ， 正刚度基本保持恒定 ，这在模拟曲线上体现的很明显 。 随 着 供 油 压 力
增 大 ，轴承的静压定心效应提高 ，故 正 刚 度 提 高 。 轴颈转速的提高会产 生更大的动压效应 ，同时也可以获得更高的正刚度 。
2．2 科技视界 Science & Technology Vision 47
Science & Technol ogy Vision
科技 视 界
科技·探索·争鸣
机械与电子
2．3 交 叉 刚 度 分 析
图 6 标示出来交叉刚度随轴颈转速变化的情况 ，其模拟之与实验
屋顶采光带值 基 本 吻 合 。 由 此 可 见 ，方形油腔轴承具有最大交叉刚度 ，圆 形 油 腔 轴
承 较 次 之 ，最后是三角形油腔轴承 。
图 3 正刚度随偏心率变化曲线
图
6 交叉刚度随主轴转速变化曲线
通 过 以 上 对三种油腔结构类型的絮流液体动静压轴承特性进行 的实验与模拟的研究 ，我们可以清楚的看出 ，基 于 FLU ENT 软 件 对 液 体动静压轴承特性分析值与实验值是非常吻合的 ，其分析结果是完全 可 靠 的 。 从整个分析结果看 ，方形油腔轴承具有最佳性能 ，其 次 是 圆 形 油 腔 ，最后是三角形油腔 。
结 论
3 通过对上述三 种结构形式油腔放入特性分析 ，可 以 发 现 ，在 相 同 条件下方形油腔具有最 大 的
承 载 能 力 ，最 大 刚 度 ，且整体特性也明显 优 于 其 它 油 腔 。 最 后 ，与试验结果的对比 ，验 证 了 利 用 CFD 软 件 对 流 体在液腔内程进行研究的可行性 ，为 今 后 做工程设计提供一 图
4 正刚度随供油压力变化曲线
个 方 法 参 考 。［1］ 王 福 军 . 计算流体力学分析 ：CFD 软件原理与应用 [M]. 北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ，2004.
［2］PYP C he n ，E J H ah n. U se of Comp ut at i o nal F l uid -D yn a mics i n -H yd rod yn a m i c - Lu b ri ca tio n[C].P ro c I n st n Me ch Eng rs ，1998，212：427-435.
［3］蒋 小 文 ，顾 伯 勤 .收敛楔形间隙中流体流动的数值模拟 [J].润 滑 与 密 封 ，2004 （3）.
［4］何 永 森 ，肖 瑞 ，孙 勇.D L R 型 k -ω 模 型 紊 流 模型对逆压梯度内部紊流数值仿 真[J].湘 潭 大 学 学 报 ：自 然 科 学 学 报 ，2007，29（2）：27-31.
［责 任 编 辑 ：丁 艳 ］
图 5 正刚度随主轴转速变化曲线
（上 接 第 42 页 ）针 、发展任务和发展目标等方面应达成统一的认识 。
校企合作是目前大多数高校采用的方式 ，也 是 高校校园网可持续 发展的最佳选择 。 但在具体的实施过程会遇到一些 具 体 的 问 题 ，需 要 借鉴其他高校的先进管理思想和经验 ，从 而 在 校 企 合作中摸索出适合 自身发展需要的合作3.2 应对双方的职责和职能予以明确显示器挂架
双方就承担的职 责和应有的职能予以明确 ，形 成 正 规 文 件 ，做 到 有 文 可 依 。 在校园网具体建设过程中 ，应以该文件来 衡量和检查双方 是否达到预期值 。 明确双方的职责和职能有利于校园网服务与维护和 管理队伍的建设 。
［1］高校校园网建设现状[E B /OL ].教 育 科 研 网 www.edu/2012-03-30. ［2］以网养网促发展：高校校园网何时走向可运营[N].中 国 教 育 报,2003-08-1,8. ［3］胡 敏.校园网商业化何去何从[J].中国计算机用户,2003(7). ［4］张 惠 娟.校 企 合 作：助力教育信息化驶入快车道[N ].人 民 政 协 报,2012-08-1. ［5］陈 志 勇，冼 绍 祥，李 健 明.高 等 中医药院校数字化校园建设的新模式[J].中 医 药 管 理 杂 志,2005(6).
［6］信 息 化 是教育跨越式发展的引擎 [EB/OL ]. 中国教育和科研计算机网 www.edu/sj.
合作产生的经济效益与社会效益并重
高 校 校 园 网 的特殊性和高校的社会服务职能决定了高校校园网 不属于企业性质 ，高 校 的 发展除了高校自身的努力之外 ，还 离 不 开 全 社会的共同努力和社会环境的支撑 。 企业的发展不仅取决于自身的努 力 ，而且还取决于外部环 境提供的各种条件 ，把自己融入到社会大环 境 中 去 ，在为社会服务中谋求企业的经济效益 。 校 企 合作不能一味地 追求投入产出比的经济效益而忽略了社会效益 ，只 有 同时注重经济效 益和社会效益才能让企业和高校得到持续性发展 。
3.3 ［责 任 编 辑 ：杨 扬 ］
结 语
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