高速空气静压电主轴止推轴承设计及性能分析.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3673-3683 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124337 文章引用文章引用:秦浩海,李天箭.高速空气静压电主轴止推轴承设计及性能分析J.建模与仿真,2023,12(4):3673-3683.DOI:10.12677/mos.2023.124337 高速空气静压电主轴止推轴承设计及性能分析高速空气静压电主轴止推轴承设计及性能分
2、析 秦浩海秦浩海,李天箭李天箭 上海理工大学机械工程学院,上海 收稿日期:2023年4月22日;录用日期:2023年7月10日;发布日期:2023年7月17日 摘摘 要要 高速空气静压电主轴具体有结构紧凑、高转速等特点被广泛应用于高精密机床、多关节机器人、汽车制高速空气静压电主轴具体有结构紧凑、高转速等特点被广泛应用于高精密机床、多关节机器人、汽车制造、医疗装备等高新技术领域设备中。空气止推轴承是高速空气静压电主轴实现高精度高转速的关键零造、医疗装备等高新技术领域设备中。空气止推轴承是高速空气静压电主轴实现高精度高转速的关键零部件。本文对单孔和多孔空气静压止推轴承建立数学模型,利用部件。本文对
3、单孔和多孔空气静压止推轴承建立数学模型,利用ANSYS Workbench Fluent软件进行详软件进行详细的刚度、气膜压力、气体流场、承载能力模拟设计分析计算,分析轴承参数对轴承刚度的影响,得到细的刚度、气膜压力、气体流场、承载能力模拟设计分析计算,分析轴承参数对轴承刚度的影响,得到轴承性能随各项参数变化的变化规律,实现该类轴承的参数设计。进一步,利用轴承性能随各项参数变化的变化规律,实现该类轴承的参数设计。进一步,利用MATLAB app designer编制计算空气静压止推轴承的参数化设计界面软件,提供基于公式的编制计算空气静压止推轴承的参数化设计界面软件,提供基于公式的MATLAB计
4、算与基于有限元的计算与基于有限元的ANSYS计算比较分析结果,明晰各设计参数下空气止推轴承的刚度以及承载能力等关键性能计算比较分析结果,明晰各设计参数下空气止推轴承的刚度以及承载能力等关键性能。关键词关键词 电主轴,空气静压止推轴承电主轴,空气静压止推轴承,ANSYS分析分析MATLAB计算计算 Design and Performance Analysis of the Static Air Pressure Thrust Bearing on the High Speed Electric Spindle Haohai Qin,Tianjian Li School of Mechanica
5、l Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai Received:Apr.22nd,2023;accepted:Jul.10th,2023;published:Jul.17th,2023 Abstract High speed aerostatic electric spindles are widely used in high-tech fields such as high-precision ma-chine tools,multi joint robots,automotive manu
6、facturing,medical equipment,and other high-tech equipment as well as other compact and high-speed high-tech equipment.Air thrust bearing is a key 秦浩海,李天箭 DOI:10.12677/mos.2023.124337 3674 建模与仿真 component for achieving high precision and speed in high-speed air hydrostatic electric spindle.In this ar
7、ticle,the mathematical models for single hole and porous air hydrostatic thrust bearings are established,and stiffness,gas film pressure,gas flow field,and bearing capacity are calculated with the ANSYS Workbench Fluent software and the MATLAB software.The influence of bearing parameters on bearing
8、stiffness is analyzed,and the variation pattern of bearing performance with various parameters is obtained and compared to achieve parameter design of this type of bearing.Furthermore,the MATLAB app designer is used to compile the parametric design inter-face software for calculating aerostatic thru
9、st bearings,and provides the comparative analysis results of formula-based MATLAB calculations and finite element-based ANSYS calculations,so as to clarify the key properties such as stiffness and load carrying capacity of air thrust bearings un-der various design parameters.Keywords Elctro Spindle,
10、Aerostatic Thrust Bearing,ANSYS Analysis,MATLAB Calculation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着高速加工技术的迅速发展和广泛应用,各工业部门特别是航天、航空、汽车和模具加工等行业对高转
11、速、高精度、高效率和高可靠性的高速空气静压电主轴的需求越来越迫切1。空气用作轴承中的润滑剂,可实现低摩擦减阻和小间隙精密结构设计2。空气静压轴承是高速空气电主轴中最重要的一部分,其性能是整个主轴的关键性能。Miettinen 等人通过总结前人的研究给出了空气静压轴承性能的基本计算公式3。Hosokawa 等人为了实现更高的轴承运动精度,设计具有多入口孔的空气静压轴承,分析了其静态特性4。薛龙等人建立了一套对多孔空气静压止推轴承进行分析的数学模型5。Miettinen 等人使用线性动力学分析评估轴承的稳定性,提出了基于机械和机电一体化的解决方案6。田洋通过有限元方法分析完成了对单孔、多孔空气轴承
12、的承载性能、流场特性等研究7。孙哲哲等人利用 Fluent 模拟仿真对止推气体轴承的承载能力和刚度进行分析8。本文在前人的各项研究成果基础上,采用 Miettinen 3总结的静压轴承性能的基本计算公式完成对空气电主轴以及气体润滑轴承的数学建模及 MATLAB 程序编程,采用 ANSYS Fluent 有限元分析软件对设计参数与对应性能进行仿真计算分析,MATLAB 计算结果与 ANSYS Fluent 有限元分析结果对比,明确各气体轴承参数对于气体轴承性能的决定作用。2.空气止推轴承设计空气止推轴承设计 为了使空气电主轴能适应更大的轴向力工作环境,一般采用两个相同的空气静压止推轴承,如图 1
13、所示,两个止推轴承均位于主轴的前端部分,分别布置在止推盘的两侧,在两止推轴承中间设置密封圈。前止推轴承一端与前端盖直接接触,前端盖处设计安装密封圈。后止推轴承一端与前径向轴承直接接触,其间无需设计密封。止推轴承同样多气孔,并且设计为径向对称,保证气膜的刚度,提高轴向稳定性。设计采用若干节流孔的对称设计。节流孔型如图 1 所示,一般在进入节流孔前开设一环形均压槽,保证各节流孔进气压力相同,提高轴向精度。Open AccessOpen Access秦浩海,李天箭 DOI:10.12677/mos.2023.124337 3675 建模与仿真 Figure 1.Thrust bearing 图图 1
14、.止推轴承 3.数学模型建立数学模型建立 3.1.气膜厚度气膜厚度 在进行建模分析之前,首先应计算相应的空气静压止推轴承在其工作环境下所产生的气膜厚度,以后能得到精密的有限元分析结果。空气静压止推轴承工作时受力如右图所示。其中半径单位为 mm,压力单位为 pa,空气流动如箭头所示,气体经节流孔后,在径向方向上分别向内、向外流动,在半径为 R1处排入大气,具体参数示意如图 2 所示。根据 Navier-Stokes 方程:Figure 2.Parameter diagram 图图 2.参数示意图 221upurz=0pz=0p=其中:u 为气流速度,m/s;p 为任一处压力,Pa;r 为任一半径
15、处半径值。将边界条件代入上式进行积分之后得到:3d6dpQrr h=其中:Q 为流量,kg/s;为空气密度,kg/m3。再根据pRT=代入进行替换,根据目前所设边界条件可得出空气流动方程:秦浩海,李天箭 DOI:10.12677/mos.2023.124337 3676 建模与仿真 外向流动方程:()2210312lnadQ RTppr Rh=(1)其中:为空气动力粘度;R 为气体常数,J/kg;T 为绝对温度。内向流动方程:()2210312lnaQ RTppRrh=(2)根据式(1)(2)可求得空气流动的质量流量:外向流动流量:()()22311012lndapphQRTR R=(3)内向
16、流动流量:()()22320212lndpphQRTRR=(4)又根据流入小孔的气体总流量有:1sDaQC APRT=(5)其中:DC为流量系数,A 为节流孔面积。根据质量流量相等公式:12sQQQ=+,由公式(3)(4)(5)得到气膜的厚度:()()1/32222100212lnlnDadadC APRThppppR RRR=+(6)3.2.承载与刚度承载与刚度 该软件所计算结果包含设计的空气静压止推轴承的承载能力和刚度,根据前一章中的式(1)(2)可得压力情况:()()()()()()0222101002222002lnlnlnlnddaddr RpppR RRrRpr RpppRRRrR
17、=(7)对整个受力面进行积分,可求得承载能力:012022212d2dRRaRRFpr rpr rR pR p=+(8)由上公式可求导得刚度:ddFKFhh=(9)秦浩海,李天箭 DOI:10.12677/mos.2023.124337 3677 建模与仿真 4.ANSYS 分析分析 前部分中已经完成了对空气电主轴的整体设计,现对其主要零部件止推轴承进行详细的分析。4.1.Fluent 求解求解 利用 mesh 对模型进行网格划分,在对其进行网格划分时优先采用四边形网格而不是三角形网格,因为四边形网格的精度要高于三角形网格,要求其奇异点个数少,布局合理、面片的边走向与几何特征走向对齐、边长均匀
18、化,或者自适应几何特征,并且因为气膜部分小但是相比之下为比较重要的部分,而管道部分只需计算刚度需求,要求普通。在划分网格时,气膜部分的网格因细而密且质量高,能精确计算气膜部分的要求,管道部分网格要求整齐满足条件即可,为减少计算步骤、提高计算效率,相应降低管道部分的网格质量。选用六面体主导网格法(Hex Dominant)得到四边形网格,在 Size Function 中选择使用 Proximity 控制该气孔模型中网格的增长率以及最大网格尺寸等控制网格精度差别,网格划分结果如图3 所示。Figure 3.Grid division 图图 3.网格划分 网格划分结束之后,调整粘性参数(Visco
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