基于ansys的气浮轴承有限元分析

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1、基于ANSYS的气浮轴承有限元分析摘要：本文基于Fluent软件对空气静压轴承的性能进行有限元分析，分析轴承在不同偏心率及不同转速的情况下气膜上的压力分布，得出了轴承的承载力和刚度在不同偏心率下及不同转速的变化规律。关键词：空气轴承；有限元分析0引言超精密高速加工技术是一项重要的先进制造技术，广泛应用于机械、航空航天、微电子、国防等高科技领域。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，对高速度、高精度数控机床的需求迅猛增长。传统的滚动轴承主轴结构难以满足数控机床的高转速、高精度的要求。空气轴承的电主轴具有转速高，耐磨损，

2、旋转精度高的特点，电主轴是实现机床高速化的核心部件，因此，研宄空气轴承的电主轴结构对实现数控机床的高转速、高精度是具有非常重要意义的。现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。基于ANSYS的气浮轴承有限元分析摘要：本文基于Fluent软件对空气静压轴承的性能进行有限元分析，分析轴承在不同偏心率及不同转速的情况下气膜上的压力分布，得出了轴承的承载力和刚度在不同偏心率下及不同转速的变化规律。关键词：

3、空气轴承；有限元分析0引言超精密高速加工技术是一项重要的先进制造技术，广泛应用于机械、航空航天、微电子、国防等高科技领域。随着高速加工技术的迅猛发展和广泛应用，对高速度、高精度数控机床的需求迅猛增长。传统的滚动轴承主轴结构难以满足数控机床的高转速、高精度的要求。空气轴承的电主轴具有转速高，耐磨损，旋转精度高的特点，电主轴是实现机床高速化的核心部件，因此，研宄空气轴承的电主轴结构对实现数控机床的高转速、高精度是具有非常重要意义的。现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商

4、家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。本文以雕刻机电主轴的空气静压轴承为研究对象基于fluent软件对气浮轴承进行有限元分析，对轴承在高速运行状态下的性能进行研宄。1空气静压轴承的工作原理静压气体轴承的工作原理基于空气静压效应，如图1所示，压缩空气以供气压力Ps由供气通道经节流小孔进入气腔，然后通过轴与轴承内表面的间隙，形成气膜，沿轴向流至轴承的端部，由此排入大气。当节流小孔横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体具有粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，引起经节流小孔后气

5、体的压力值产生损失，即气腔中的压力P0小于供气压力Ps，同理由于气膜厚度非常薄，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时压力再次损失，又因直接排入大气，出口处的压力即环境压力Pa，应小于气腔压力P0。在没通入压缩气体前，由于轴的自重和载荷的作用，轴与轴承内表面相互贴合，气膜厚度h为零；通入压缩气体时，当供气压力与气腔面积乘积值超过载荷F时，轴被浮起，气膜形成，气腔中的压力P0小于供气压力Ps，轴在气膜压力的支承下达到平衡。当外载荷增大时，气膜厚度减小，气膜的压力会增大，支承力增加，以平衡增大的外载荷

6、；反之，当外载荷减小时，气膜厚度增加，气膜压力会减小，支承力减小，以平衡减小的外载荷。以上就是空气静压效应的基本原理。2空气轴承性能的有限元分析(1)求解区域的确定由于轴承是双排节流孔，整体模型如图2所示，从模型可以看出两排孔的中间有一个对称的横截面，将直角坐标系的XY平面与这个对称面重合，坐标系的Z轴与轴承的轴心线重合。于是，可以取整个轴承的二分之一气流区域作为分析对象进行分析，其模型如3所示(2)有限元网格的生成对求解区域进行网格划分，由于高压空气流经轴承节流孔小横截面通道时，其速度会急剧增加，所以在节流小孔区域

7、，速度梯度和压力梯度都会很大，相应的网格密度也要很高。按照此原则，对二分之一轴承模型进行网格划分，(4)边界条件的确定从八个进气口施加供气压力0.6Mpa，且YZ面为对称面，出口压力为环境压力，施加气膜内壁的切向速度，其余所有表面施加速度边界0。(4)求解器选择由于几何图形长度尺度相差太多，所以选用Fluent3d三维单精度求解器。(5)选择计算模型：由于高速可压流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法(6)求解方法的设置及其控制、流场初始化、迭代求解计算。(7)求解及结果分析处理供气压力不变时，静压效

8、应条件下的气膜压力的分布与偏心率有关，而在高速旋转的动压效应条件下，气膜的压力分布还与转速有关，因此我们选择相同的偏心率，分析在不同转速条件下的轴承动压效应，在此取e=0.5。假设转轴向+Y方向偏移，观察在不同转速下气膜上的气膜压力分布，结果如图5所示。图中刻度为压强值(Pa)。主轴处于静态即转速为零时，节流小孔出口处压力为气膜中的最大压力，当