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CFD分析設計徑向式液靜壓軸承及其於液壓缸的應用

摘要"

近年來機械產業技術朝向高速及超精密的方向發展,因此對於工具機主軸迴轉速度與傳動進給精度的要求也相對提高,由於液氣體靜壓軸承各有應用領域,其中氣靜壓軸承是使用空氣為潤滑劑,具有乾淨、無汙染與低摩擦的特點,最早使用於搬運、低阻力滑台、如:三次元量床移動軸,許多高精度工具機的主軸與導軌或量測設備的平台,均採用氣靜壓軸承來取代滾動元件軸承,但受限於氣靜壓軸承為固定供氣壓力與氣體的可壓縮性,氣靜壓軸承的剛性一般不易提高,而液靜壓軸承具有高剛性、承載能力,主要由外部供給壓力油,在軸承內建立靜壓承載油膜以實現液體潤滑的滑動軸承,具有旋轉精度高、油膜剛度大、能抑制油膜振盪、剛性較高、轉動平穩、無振動的特點,廣泛用於超精密機床。
有鑑於此,本文將透過有限元素分析法CFD-Fluent設計徑向式低阻力液靜壓軸承間隙模擬分析,主要針對液壓缸內部直線運動過程中導入採用液靜壓軸承,藉由軟體分析液靜壓軸承內部流場分佈及性能研究,完成在機械運作中撐起旋轉體或直線來回運動體的機件,其機件在軸上彼此相對運動時,可達到用來保持軸中心位置及控制該運動的機件以及抑制軸向外力干擾,同時能維持固定的內部硬體碰撞,控制間隙達到最大抵抗力,以期提高靜壓軸承運行可靠性,研究成果有望為液靜壓軸承結構性優化設計提供模擬分析方式。

關鍵詞:液靜壓軸承、CFD有限元素分析、伺服液壓缸

前言

隨著現代工業對加工精度要求的提高,使得靜壓軸承技術在可靠性、加工精度等方面的優越性被更多的應用到重型數控裝備中,現階段的研究主要從軸承結構參數設計優化及性能方面展開[2],對油膜瞬態變化的研究較少,Sharm等分析了油腔形狀對靜壓軸承動靜態性能的影響,Naoki Hanaw等[5]Hiroshi Sawano等對提出的新結構軸承的靜態特性進行了數值計算和試驗研究,Makoto Gohara等[8]研究發現膜限流器可提高水潤滑靜壓軸承的靜態剛度,早在19世紀中,法國人G.Hirn指出氣體可用為潤滑劑之可行性[4],亦即在軸承間構成氣體膜,使移動部與靜止部不直接接觸,這即是今日氣體軸承的原理。而在軸承的設計方面,O’Donoghue, Rowe推導出徑向軸承之相關公式,然而在軸向軸承設計方面只得到初步的分析[1],而在1974年,Cusano ad Conry[5]考慮了軸承內部油室內部的壓力差,同時也針對主軸旋轉時所引起的液體流動對於軸承剛性的影響。Vermeulen[6]應用雷諾方程式來描述流體之壓力分佈,並以有限差分與有限元素分析法來求解,此種計算方法對於平寬面軸承具有精確的結果,藉此對於日後軸承相關計算方式有很大的幫助。本文透過對液靜壓軸承結構進行改進設計,使靜壓軸承可以應用於液壓缸致動器直線運動,並保持定中心運動位置,也針對液靜壓軸承結構對軸承內部壓力的分佈及速度流向進行分析,主要以液靜壓軸承中的徑向軸承為研究目標,若將液靜壓軸承與滾珠主軸比較,而因油膜阻尼大抗震性較為優良,此裝置是由外部強制將高壓潤滑油注入軸體與軸承面的間隙,然而軸體與軸承面之間磨耗相較之下變小,但此裝置在高速運轉況下溫度隨之上升,穩定性不佳,當中容易產生氣泡,會發生擾流現象;此次研究目的是設計軸承中的圓環狀套筒,使流體壓力在間隙之中平均分布,使其具有油膜阻尼大、剛性高,以及模號小、壽命增長,且較不需要維修等特性。

徑向式液靜壓軸承結構設計

本文為建立徑向式液靜壓軸承模型,以ANSYS CFD-Fluent模擬結構流道得到一系列之壓力圖、流線圖、向量圖、壓力圖表等,液靜壓軸承主要供油裝置,經由節流器調節流量,在軸承與推桿之中間透過液壓油,使推桿在軸承中不會發生偏離,而產生推桿磨損,液靜壓軸承(Hydrostatic bearing)可應用於大型移載設備工具,例如:液靜壓軸承旋轉工作檯、液靜壓滑軌,以及液靜壓液壓缸等。
本文針對液靜壓軸承的抬升力與主軸偏心率的影響,透過CFD流體分析軟體進行模擬,藉由比對出入口壓力大小數值,進一步確定主軸偏移對抬升力的影響,從國內外相關液靜壓軸承研究中,找到國立清華大學先進光電科技中心執行的深耕工業基礎技術專案計畫「多軸研磨形成加工系統及液靜壓軸承基礎技術研發」執行的說明會議-經驗分享報告中,主要敘述結合精密製造技術設計分析開發液靜壓軸承關鍵元件,亦是應用高精密、高負載的工具機產業,綜觀徑向液靜壓軸承的推桿和主軸間的間隙以偏心率和傾斜度來說,如圖1所示為供油壓力與偏心率對徑向液靜壓軸承的影響,液靜壓軸承在純液體潤滑狀態下,通過供油系統向油腔輸送液壓油,在主軸和油腔之間形成壓力油膜將軸心撐起,依靠液體靜壓力支承外部荷重,保持軸心在不同載重和轉速下與軸承均處於流體潤滑狀態,為了達到主軸定心且無偏差的效果,須以模擬進行初步觀察壓力與液壓油流線圖獲得其內部抵抗壓力變化,再進一步改變內部尺寸給予最佳效果徑向液靜壓軸承[2]。
徑向式液靜壓軸承工作原理是藉由供油系統將固定壓之液壓油經節流器送入軸承與主軸的間隙,此間隙厚度為設計撐起主軸油膜厚度並保持定心位置,節流器送入間隙的壓力大小,也是需要考慮的其中之一因素,需將主軸運轉或位置移動時的作用力必須考慮其中,以使壓力大小得以固定。間隙的凹槽形狀的油室,液壓油將充滿所設計之油室之間隙,然而油室對稱分布,可將中心主軸定心於本體中心點位置,如圖2所示液靜壓軸承之原理圖,左圖中的紫色對稱軸,確保主軸會在油膜支撐降低軸心偏離軸承距離。結構組成有:供油系統、節流器、軸承、主軸心體、油腔室。
有限元素分析法之徑向液靜壓軸承模擬分析步驟軸承油膜動網格模型

CFD計算流體力學之技術用在工程類的專案上已經行之有年,CFD全名為Computational Fluid  Dynamics其簡稱為CFD,其技術是21世紀流體力學領域的重要技術之一,用數值方法對流體力學方程求解,可得知流場的所有資訊,並且預測其流動方向。把連續流體用離散的方式進行處理分析,由此分為兩種方法;一個是將空間區域離散化成小腔室,形成一個立體網格或格點,再選用適合的演算法來求解運動方程式。然而非黏性流體用Euler equation,對於黏性流體用Navier-Stokes equations,但是網格是由非對稱結構來組成,例如:在二維空間中由三角形組成,在三維空間中由四面體組成;每個單位腔室必須單獨存儲在內存中。本文將採用三維建模方法,對模型進行有限元素分析計算,通過求解Naver-Stokes 方程,創新性地結合了壓力及油室結構分佈來分析液體靜壓軸承的靜特性和節流孔附近的流場變化情況。

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