静压推力轴承油垫封油边的油膜流量模拟监测方法

技术领域

本发明涉及一种静压推力轴承油垫封油边的油膜流量模拟监测方法，尤其涉及利用FLUENT软件对静压推力轴承双矩形腔油垫封油边的油膜流量模拟监测方法，属于重型静压机床静压轴承技术领域。

背景技术

液体静压推力轴承在运行过程中具有低摩擦、无磨损、高刚度、大阻尼、承载力大和运行稳定等优点，成为高端制造装备实现高精度稳定运行的关键部件，广泛应用在军事、核电、舰船制造、航空航天和国防等国家重点行业领域。但由于静压推力轴承高速重载运转条件下，间隙油膜剪切发热量增加，油膜热油携带的流量增加，热量不断积累无法扩散，致使油膜不均匀变薄，静压承载能力降低，严重时会出现局部油膜破裂和干摩擦现象，最终导致油膜温度升高，机床发生热变形，对重型数控加工设备运行精度和稳定性造成严重的影响。然而理论推导的油膜温升方程中，直接影响油膜温度的主要因素是流经各处的流量值，国内外针对静压推力轴承润滑油流经各处的具体流量值的模拟方法研究较少，因此，探究一种静压推力轴承油垫封油边的油膜流量模拟监测方法是至关重要的，为静压推力轴承油膜温升问题的进一步优化设计提供依据和思路，也为高速重载工况下数控装备加工精度和运行稳定性提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是利用FLUENT软件监测不同工况下静压推力轴承油垫封油边的油膜流量值，获得油膜流量值，为静压推力轴承油膜温升计算提供真实流量，进而解决让人棘手的油膜温升问题，为温升控制和散热方案确定提供理论依据。

静压推力轴承油垫封油边的油膜流量模拟监测方法通过以下技术方案来实现；(1)利用Creo三维建模软件建立一个双矩形腔油垫油膜三维模型(静压推力轴承圆周导轨上一般均匀且对称分布12个油垫，由于每个油垫的具体结构、工作参数和性能都一样，因此取整体油膜的1/12进行计算分析)，将三维模型导入ICEM CFD软件中进行高质量的网格划分；

(2)打开FLUENT软件，导入划分好的三维网格模型，对模型进行缩放处理，查看网格信息及检查网格质量；

(3)选择求解器类型及物理模型；

(4)设置材料并定义计算域及边界条件；

(5)确定求解方法及求解控制参数；

(6)定义油垫封油边的油膜流量监测面；

(7)进行初始化并设置合理的迭代步数；

(8)残差收敛情况选择10-3，波动稳定，有明显下降趋势，即可查看油垫封油边油膜流量具体值。

本发明的有益效果为

本发明利用计算机对静压推力轴承工作台现场的实际各种工况进行油垫封油边油膜流量模拟监测，对油膜温升后的流量参数获取研究，揭示静压推力轴承油膜变薄、承载力降低的主要影响规律，为后续静压推力轴承优化设计、实现高效、高精奠定技术基础。计算机数值模拟过程符合工程实际工况，设计人员可以清晰看到各个位置的油膜流量具体数值，用以计算油膜温度、油膜损耗等一系列方程，数值模拟结果具有重要的实用价值。该方法过程简单，操作方便，能在短时间内获取大量可靠的数据，是监测油膜流量具体数值的不二选择。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是静压推力轴承油垫封油边的油膜流量模拟监测方法流程图。

图2是步骤A提到的单个双矩形腔油垫油膜三维模型图。

图3是FLUENT软件的模型操作树和参数设置面板图。

图4是步骤F提到的4个油膜流量监测面位置示意图。

图5是步骤H提到的迭代残差曲线图。

图6是步骤H提到的双矩形腔油垫封油边上的油膜流量值图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

步骤A：利用Creo或其他建模软件依据不同工况建立双矩形腔油垫油膜的三维模型，将三维模型导入ICEM CFD软件中进行高质量的网格划分，并以.msh文件导出。

步骤B1：启动FLUENT模块，激活Dimension选项中的3D模型，因为只有在选择了3D情况下，才可以进入Meshing模块，进一步勾选Options选项下的Double Precision以进行高精度求解，点击OK按钮进入FLUENT界面。

步骤B2：导入划分好的高质量网格模型，在Setup设置面板中，选择General节点中的Scale…，将单位m缩放为mm；选择Check进行检查网格信息，主要包括网格模型的几何尺寸、体积统计以及网格面面积统计，最需要关注的参数为minimum volume，必须确保其为正值。

步骤C：选择菜单栏Define中的User-Defined，利用粘温方程μ＝3.5665E31(T

步骤D1：选择Materials节点以设置材料参数，选择Fluid，设置相应的Density为880kg/m3，Cp(Specific Heat)为1884J/(kg·K)，Thermal Conductivity为0.132w/m·K；选择Cell Zone Condition节点进行设置计算域属性，包括计算域工作介质、运动状态等；

步骤D2：选择Boundary Conditions节点进行计算域边界条件设定，本发明中计算域包括in_left、in_right、moving-wall、out_former、out_latter、periodic_left；其中，in_left和in_right选择速度入口velocity-inlet类型，针对不同转速和载荷，设置转速大小和入口流速值，并把入口油温设置为298K，out_former和out_latter选择压力出口pressure-outlet类型，表压Gauge Pressure为0，定义出口油温为298K，在moving-wall选项中的Speed(m/s)内输入相应转速；

步骤E1：在Solution设置面板中，选择Solution Methods节点以设置求解算法，其中，Scheme选项中选择稳态计算SIMPLEC分离算法，Pressure选项中选择Second Order二阶格式，Momentum选项中选择First Order Upwind一阶迎风格式，Energy选项中选择SecondOrder Upwind二阶迎风格式；

步骤E2：选择Solution Controls节点设置求解控制参数，亚松弛因子随载荷的增大而在一定范围内增加，Pressure方程松弛因子变化范围为0.1-0.3，Momentum和Energ方程松弛因子范围为0.3-0.7，其余采用FLUENT默认设置。

步骤F：选择Monitors节点定义油垫封油边的油膜流量监视器，在SurfaceMonitors选项中点击Create创建流量监测面，选择New Surface选项下的Plane…，勾选Bounded后，进行输入所需监测面的三个坐标值，以点击Create结束页面，本发明中，plane-1选取的坐标为(-144.5,920,25.1)、(-144.5,830,25.1)和(-144.5,875,0.0743)，plane-2选取的坐标为(-144.5,820,25.1)、(-144.5,730,25.1)和(-144.5,775,0.0743)，plane-3选取的坐标为(144.5,920,25.1)、(144.5,830,25.1)和(144.5,875,0.0995)，plane-4选取的坐标为(144.5,820,25.1)、(144.5,730,25.1)和(144.5,775,0.0995)，单位为mm；

步骤G：选择Solution Initialization节点下的Standard Initialization进行初始化；选择Run Calculation节点设置迭代步数，本专利设置迭代步数为2000，最后选择Calculate进行计算求解；

步骤H：查看残差收敛情况是否低于10-3，且波动稳定，有明显下降趋势，如若没有，可增加迭代步数到最大5000步，或者，修改步骤E2中的亚松弛因子参数值，重新输入迭代步数进行计算求解，直至残差收敛情况符合要求，即可查看油垫封油边油膜流量值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的方法，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围有所附的权利要求书及其等效物界定。