基于动网格技术重型静压轴承耦合场分析及动态性能预测

多油垫静压轴承是重型数控装备的核心部件，而静压轴承在工作中受压力及发热影响极易导致局部产生变形及油膜变薄，这将直接影响到整个机床的加工精度和工作效率。针对重型静压轴承动态运行中存在的问题，提出一种基于多层动网格技术及采用多物理场耦合求解进行静压轴承动态性能计算的新方法，从支承特性、润滑特性、发热特性三大方面着手深入研究。首先系统建立变粘度下适用于多油垫静压轴承动态性能计算的数学模型，找出影响支承特性、润滑特性、发热特性的关键因素并揭示其影响规律；然后通过流-固顺序耦合建立轴承本体变形后的润滑油膜模型，探索静压轴承变形对其承载能力及油膜刚度的影响规律；接着建立润滑油膜动网格模型，采用有限体积法进行静压轴承多物理场数值模拟，最终实现由初始到稳态变化过程中静压轴承动态性能的预测。此项研究为静压轴承结构设计及运行可靠性提供理论依据，并为整个机床制造业实现高效、高精奠定了坚实的理论及技术基础。

项目以重型数控装备广泛应用的多油垫圆导轨静压轴承为研究对象，首先，合理选择了静压推力轴承工作介质类型，完成了多油垫静压推力轴承工作介质粘温关系建立工作并给出粘温方程，完整地建立了变粘度条件下多油垫静压推力轴承动态性能数学模型，包括支承特性、润滑特性、发热特性数学模型。. 其次，建立了静压推力轴承单个油垫上的油膜三维物理模型，采用数值模拟方法计算了静压轴承由层流到紊流的临界转速与临界入口流量，并基于有限元、有限体积法、采用ICEM CFD对其进行了网格的划分以及边界条件的生成，应用CFX对其不同工况条件下的重型静压推力轴承的润滑特性进行了数值模拟。再次，从轴承承载能力出发，基于计算流体动力学理论，采用有限体积法，在变粘度条件下系统地计算了不同转速、腔深下的油膜压力场，得到油腔压力与转速、油腔压力与腔深的关系曲线；从温度场角度出发，在综合考虑实际结构、工况和环境的前提下确定相应边界条件，对多油垫静压轴承油膜温度场进行计算，揭示变粘度条件下流量、转速对温度场的影响规律。. 最后，通过流-固顺序耦合技术建立轴承本体变形后的润滑油膜模型，给出一种建立静压推力轴承热力耦合变形后润滑油膜三维模型参数的获取方法，并应用动网格技术模拟静压轴承动态性能，探讨了间隙油膜厚度由hc=0.12mm变化到hw=0.04mm过程中,油膜三维物理场变化情况。该研究从润滑特性、承载特性及发热特性出发，对多油垫静压轴承间隙油膜进行了深入系统的研究，探明了此类静压支承的润滑机理，得出了油膜厚度变化对油膜态分布的影响规律，实现了轴承动态性能变化的预测，为工程实际中静压轴承设计提供了理论依据，为类似结构的设计和性能预报有重要的指导意义。