基于Fluent的静压支承油膜仿真计算研究_刘韶光

制造业信息化

MANUFACTURINGINFORMATIZATION

仿真／建模／CAD／CAM／CAE／CAPP

基于Ｆｌｕｅｎｔ的静压支承油膜仿真计算研究

刘韶光1，陆中良2

（1.中国飞行试验研究院，西安710089；2.武汉理工大学物流工程学院，武汉430063）

摘要：利用Ｆｌｕｅｎｔ工具对整个静压支承结构进行了数值仿真，验证了静压支承油膜的以静压支承结构为研究对象，

形成。仿真分析的结果表明，初始尺寸的静压支承结构压力油膜能够形成，油腔部分压力场基本稳定，油膜部分压力场逐渐减小；油膜部分流速较大，固定阻尼部分流速变化较大；初始油腔的厚度值较大，会在油腔内部形成涡流；最后根据分析结果对结构尺寸作了局部优化。

静压支承；关键词：Ｆｌｕｅｎｔ；仿真

TH137.51中图分类号：文献标识码：A

LIUShao-Guang1,

文章编号：1002－2333（2013）12－0158－02

LUZhong-Liang2

SimulationofHydrostaticBearing’sOilFilmBasedonFluent

Xi'an710089,China；2.SchoolofLogisticEngineering,WuhanUniversityofTechnology,（1.ChinaFlightTestEstablishment，

Wuhan430063,China）

Abstract：Focusingontheconstructionofhydrostaticbearing,numericalsimulationofthewholehydrostaticbearingconstructioniscarriedoutbyFluenttoprovetheformationofhydrostaticbearing'soilfilm.Theresultofsimulationshowsthattheinitialsizeoftheoilfilmofhydrostaticbearingcanform,thepressurefieldoftheoilchamberisstable,butthefieldoffilmdecreasesgradually.Theflowratesofoilfilmislarger,andtheflowratechangeslargerinthepartofthefixeddamping.Theinitialthicknessoftheoilchamberislarge,andformsavortexinsidetheoilchamber.Accordingtotheanalysisresults,thelocalsizeofthesystemisoptimized.

Keywords：hydrostaticbearing;Fluent;simulation

1引言由于整个静压支承系统关于对称轴对称，考虑到后面步骤计算量，所以取整个模型的一半进行分析。流体入口为固定阻尼部分压力入口，流体出口为油膜的部分四

油腔部分

静压支承技术是向摩擦表面注入压力流体，在摩擦表面形成压力油膜或气膜，借助于流体的压力来承受载荷。因该技术能大大降低摩擦，减小磨损，可以在很宽的速度范围内工作，承载能力大，运动精度高，具有抗振、吸振、使用寿命长等优点，使得它广泛地应用于各种领域。传统的油膜仿真技术大多依靠公式推导和相关的演算，推理过程复杂、繁琐，并且容易出错。而数值模拟技术是流场和压力场的有效地仿真工具之一，其计算结果直观形象，流体流态清晰明了，是油膜技术有效的研究手段之一［1］。本文以某圆形油腔静压支承油膜的为研究对象，利

表1静压支承初始尺寸用Fluent仿真技术分析了其结构

固定阻尼直径/mm固定阻尼长度/mm油腔深度/mm油膜厚度/mm油腔部分内径/mm油腔部分外径/mm油膜部分内径/mm

0.62060.0367010045

固定阻尼部分

油膜部分

图1系统模型图

尺寸对于其流态的影响，并对比分析，给出了优化值。2

静压支承系统建模、网格划分静压支承系统主要由三部分组成：固定阻尼部分、油腔部分、油膜部分。各部分的初始尺寸如表1所示。

图2

模型网格

油液动力粘度/Pa·s-10.055

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

［D］.无锡：江南大学，［2］华新峰.钢球冷镦塑性加工的优化研究2013（6）：103-104.（编辑启迪）

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导教程［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［4］宋佳娜，郝健.钢球镦压模具与电气控制研究［J］.机械工程师，

!!!!!!!!!!

作者简介：宋佳娜（1981-），女，工学硕士，讲师，研究方向为机械设计

与制造，工程材料。

收稿日期：2０１３－０８－３０

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机械工程师2013年第12期

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周压力出口。为使计算更加精确，油膜厚度部分划分为三层，整个系统采用六面体单元划分，局部采用网格细化［2］。三维模型及网格划分如图1、图2所示。3

计算结果及分析

将网格文件导入到Fluent软件，设置系统的流态为层流，入口压力为20MPa，得到压力分布云图如图3所示。

由图3可以看出，固定阻尼部分压力呈节状逐渐减小，直降至固定阻尼与油腔衔接部分后变得稳定。中间油腔部分基本上为黄色，表明其压力恒定，维持在14MPa左右。从油膜部分进入中心油膜部分后颜色逐渐变绿，从油腔四周到节流边的边缘压力呈无波动逐渐减小趋势，最后降至马达的内腔压力0.4MPa，压力变化层次明显，清晰可见。整个压力场呈对称轴对称分布，规律性强，表明了静压支承油膜可以将接触面均匀分离，并保持浮起，有效地减小了摩擦、磨损［3］。

度仅有0.036mm，油液从油腔向油膜处集流的过程中，油膜处截面面积突然变小，大量油液的聚集导致油液在此处加速，速度增加。

图6所示为20MPa时静压支承系统的5倍稀疏程度时的流线图，由图可以看出整个模型的流线关于x对称，对称轴处流线呈蓝色，表示其流线最疏。油腔部分的流线成团状簇拥，表明油液在油腔内部形成了局部涡流。而油膜处流线均匀，且呈现红色，表明其流线密度较高。

图620MPa

时系统流线图

4优化设计

图6中流线的团状簇拥所形成的局部涡流会影响液

压油能量的损失，影响静压支承的性能，所以应该减小涡流的形成，因此减小油腔的厚度，将其由6mm减小为3mm，调整数值后仿真得出系统的流线图如图7所示。由

图320MPa

时压力云图

图7中可以看出，流线的簇拥处明显减少，表明涡流数目减少，尺寸的改进起到了效果。

进一步分析压力准确变化可以得到中心对称面上的压力数值分布，如图4所示。中间油腔部分压力基本恒定，节流边部分呈线性下降。

图720MPa时改进尺寸后系统流线图

5

图420MPa

时对称面压强线图

结语

利用Fluent流场分析工具对静压支承压力场、速度

场进行了数值模拟，分析的结果表明初始尺寸的静压支承结构压力油膜能够形成，油腔部分压力场基本稳定，油膜部分压力场逐渐减小；油膜部分流速较大，固定阻尼部分流速变化较大；初始油腔的厚度值6mm较大，会在油腔内部形成涡流，调整为3mm后，有较大的改善。

［参考文献］

［1］涂林，李多民，段滋华.基于Fluent的动压径向轴承油膜力场模

拟研究［J］.润滑与密封，2011，36（4）：82-86.

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分析［J］.制造技术与机床，2009（8）：127-131.

［3］许耀铭.油膜理论与液压泵和马达的摩擦副设计［M］.北京：机

械工业出版社，1987：116.

（编辑启

迪）

图5所示为静压支承系统中间对称面处的流速图，由图可以看出油膜部分的流速与油腔部分的流速有一个明显的界限，油膜部分的流速为5m/s左右，其值要明显高于油腔部分的流速。油腔的厚度有6mm，而油膜处的厚

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作者简介：刘韶光（1984-），男，工程师，主要研究方向为机械设计。

图520MPa

时中间对称面流速图

收稿日期：2

０１３－０８－２２

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