第5期 2016年5月
组合机床与自动化加工技术
Modular MachineTool &Automatic ManufacturingTechnique
文章编号：10012265(2016)05001705
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2016.05.005
No.5 May2016
精密磨床液体静压轴承的多物理场耦合热分析
郭传社，翟怡
（上海理工大学机械工程学院，上海200093）
摘要：为了提高精密磨床的加工精度，以机床主轴系统的液体静压轴承为研究对象。通过应用热流固耦合（ThermalFluidSolidInteraction，TFSI)方法求解该耦合系统的连续性方程、能量方程和Navi-er-Stokes方程组，得到耦合系统的油膜压力场、油膜温度场、轴承温度场、轴承变形场等参数。结果表明，随着轴颈转速的增加，滑动轴承油膜压力和温度不断增加；随着供油压力的增加，油膜温度几乎没有变化。文章得出的仿真结果对液体静压轴承的结构设计和工艺参数优化有一定的参考意义，
且采用有限元软件计算液体静压轴承耦合传热问题能更有效地反映真实的传热情况。关键词：精密机床；液体静压轴承；多物理场耦合
中图分类号：TH133.3;TG506
文献标识码：A
Coupled Thermal Analysis of Multi-physical Field of Hydrostatic Bearing
in Precision Grinding Machine
GUO Chuan-she,CUI Yi
( School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science & Technology ,Shanghai 200093 , China) Abstract : In order to improve the machining accuracy of precision grinding machine, the hydrostatic bearing of machine tool spindle system as the research object. Through the thermo-hydro-mechanical three field cou-pling method (TFSI), the continuity equation, energy equation and Navier-Stokes equation of the coupled system can be solved, then parameters likes pressure field and temperature field of oil film, temperature field and deformation field of bearing and so on are obtained. The analysis results show that the oil film pressure and temperature of the sliding bearing are increasing with the increase of the shaft speed; With the increase of oil supply pressure, there are little changes of oil film temperature; The simulation results of this paper have some reference value for the structural design and process parameters optimization of the hydrostatic bearing , and the coupled heat transfer problem of liquid static pressure bearing is more effective to reflect the real heat transfer conditions by using the finite element software.
Key words : precision machine tool; hydrostatic bearing; multi-physical field coupling
0引言
液体静压轴承具有回转精度高、摩擦系数小、便用寿命长、适应性好和抗振性能强等优点，在精密加工机床中得到广泛的应用[1]。液体静压轴承的油膜温度对轴承精度有着重要影响，会使轴承发热并产生热变形，影响轴承结构变形，从而降低机床性能和主轴精度，对精密机床的加工精度极为不利，必须合理控制。轴承系统中轴瓦、润滑油、轴承衬套之间的传热是相互影响、相互制约的[24]。传统方法是采用雷诺方程5或单纯的计算流体动力学CFD法[6-7]求解轴承油膜特性，而忽略了轴承系统液体与固体之间的耦合作用。很多学者对轴承系统进行了研究18-10]，郭力等对动静压轴
收稿日期：2015-08-29；修回日期：2015-0925 $基金项目：国家科技重大专项（2011ZX04004-051）
承温度场和热变形进行了仿真分析，得出了动静压轴承的温度分布情况[]。Zhang等建立了润滑油的粘温方程和静压轴承油膜温升的数学模型并采用有限体积法模拟了变油膜厚度下油膜的温度场，揭示了油膜厚度对轴承温升的影响规律[12]。夏毅敏等研究了非球面超精密加工机床液体静压推力轴承的温度场分布，得出随着油膜厚度降低，温度升高13]。林起鉴等对高速滑动轴承流固耦合传热及流场分析作了研究，解决轴瓦、润滑油和轴颈之间流固界面的温度和换热系数等传热边界条件难以确定的问题14]。但是这些研究通常只考虑了一些物理量对轴承系统的影响，而未考虑同时把这些物理量耦合。根据经典连续方程和雷诺方程对流体域进行描述，弹性力学方程对固体域进行
作者简介：郭传社（1987一），男，山东菏泽人，上海理工大学硕士研究生，研究方向为机床热分析，（E-mail)g819@163.com。