环形腔多油垫静压推力轴承热变形

　　随着高速切削技术的快速发展，旋转机械越来越趋向于高速、高效、大功率和高精度，同时也需要高精度、低功耗的轴承作为系统支承件。由于液体静压推力轴承在工作时轴与轴瓦无直接接触，处于全液体摩擦状态，具有能耗低、工作寿命长、承载能力大、运行稳定等特点而成为重型立式车床的核心部件。静压推力轴承的变形问题对整个机床的工作可靠性和使用寿命具有重大的影响，但是，关于静压推力轴承变形问题的研究还比较薄弱。近年来，国内外许多学者都对此作了研究，马涛等W研究了离心力和热变形对动静压推力轴承润滑性能的影响，采用FLUENT软件计算了轴承的性能，得出表面离心力和热变形对轴承性能有很大影响的结论，研究时必须充分考虑。何春勇等2研究了船用水润滑推力轴承的润滑性能，计算出了温度场、压力分布、水膜厚度和推力瓦位移场的三维分布规律，研究表明最大变形和最高温度都在周向出水口的位置。徐建宁等研究了止推滑动轴承的温度场和变形场，研究表明，轴承在井下工作的过程中，由于其摩擦损耗特别大，在常温设计时应该考虑到热变形对轴承间隙的影响。牛荣军等4研究了粗糙表面塑性变形对静压推力轴承润滑性能的影响，计算结果表明，在塑性变形被考虑后，接触的高压区油膜变小，油膜压力在接触区域也显著变小，油膜分布宽度增加。徐海波等研究了离心力和热变形对大型水轮机推力轴承润滑性能的影响，采用等精度法处理计算了轴承的性能，表明离心力和热变形对轴承性能有很大影响，研究时必须充分考虑。赵明等的研究表明，静压计算时必须考虑结构变形对油膜厚度的影响，因此该计算问题为静压-结构耦合问题，通常采用迭代方法求解。王建磊等m对动静压轴承温度场和热变形进行了仿真分析。Hemmi等研究了温度和惯性力对静压推力轴承性能的影响，对不同的承载位置和油膜厚度比时油膜的压力场进行了仿真，与。
　　在层流状态下进行数值模拟，将考虑离心力和散热时模拟温升与理论计算温升进行对比发现，旋转速度在40r/min以下时模拟温升值与理右，所以高速时必须考虑离心力和散热的影响。
　　油膜温升与转速的关系Fig. 3静压支承热变形计算3.1静压支承变形控制方程热弹性力学平衡微分方程：5+5+代表拉普拉斯算子；X、Y、Z为3个方向上的位移量；G为剪切弹性模量；X为拉梅常数。
　　3.2初始条件和边界条件将考虑离心力和散热条件下得到的油膜温度场模拟值作为体载荷加载到旋转工作台和底座上，施加约束和边界条件进行求解，初始温度为15C，依据热弹性力学平衡微分方程，得到工作台和底座的热变形。另外，由于工作台做高速旋转，其强制对流换热远远大于自然对流换热，故自然对流换热可忽略不计，底座是静止不动的，只有自然对流换热，无强制换热。边界条件和初始条件的设置如所示。
　　3.3网格划分和质量检查为了使计算结果更精确，与油膜接触处采用Cgrid划分并进行网格加密，以防止网格发生变形，影响运算精度，最终网格总数为980296，其中0.8以下为0，0.80.9网格数为7693，占总数的00底座变形工作台和底座变形场边界条件Fig.（b底座变形99.215%，网格质量优秀，达到计算精度要求，网格划分和质量检测结果如所示。为了提高计算精度，将迭代收敛值设为10.底座的网格划分也采用同样的处理方法。
　　为了研究不同转速工况时工作台和底座的热变形，模拟了旋转速度从10r/min到80r/min时工作台和底座的热变形，限于篇幅，本文仅给出80r/min的热变形云图，见。
　　80r/min时的工作合和底座变形根据不同旋转时工作台和底座的热变形数值模拟结果发现，温度分布不均匀产生热变形，使工作台边缘上翘，工作台的变形为弯曲的“上翘”变形，变形后整体形状呈“碗状”，底座的变形也是径向外缘有向外延伸的趋势，由于结构的限制，底座整体变形呈“扭曲”趋势，变形后整体形状呈“倒碗状”。根据工作台和底座的变形得到间隙油膜预测模型如所示，间隙油膜形状呈“喇叭状”。
　　80r/min时静压支承油膜预测模型4试验为了验证理论计算结果的正确性，在某工厂的加工半径为6300mm的某型号立式车床上进行了热变形试验。热变形的测量采用千分表，把千分表安装在固定支架上。当车床在某一测量转速达到热平衡时，将千分表迅速调零，开始测量，直至其完全冷却后进行读数，测量其热变形数值。试验装置及千分表安装位置如所示。
　　变形测量装置初始油膜厚度为0.llmm，得到了旋转工作台和底座的热变形，工作台和底座的热变形试验曲线如0所示。
　　对比0与发现，试验结果与理论计算结果基本致，转速越高热变形越大，沿半径方向，半径小处变形小，半径大处变形大，最大变形发生在工作台和底座径向外缘处。热变形后工作台和底座的形状均呈现“碗状”。
　　5结论随着旋转工作台转速的增加，工作台和底座的热变形呈上升趋势，基本上为线性关系，即随着旋转速度增大，热变形相应增大。
　　工作台的最大热变形发生在径向外缘的最下面，底座的最大热变形则发生在径向外缘的最上面，热变形后工作台和底座的形状均呈现“碗状”。
　　工作台和底座热变形共同作用导致油膜的实际形状呈现“喇叭状”，沿半径方向，半径小的开口小，半径大的开口大，最终得到了间隙油膜的预测模型。
　　通过试验验证结果表明：理论值和试验值吻合较好，说明了该理论研究方法的正确性。）该研究为静压推力轴承散热结构的设计和变形问题的解决提供基础数据，为研究静压推力轴承的变形机理打下基础。