[发明专利]中空轴式静压轴承多场耦合仿真分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，特别涉及一种中空轴式静压轴承多场耦合仿真方法。

背景技术

在重载、低速恶劣环境下工作的球磨机规格不断增大，对作为其关键部件的静压轴承的承载能力、可靠性、使用寿命、维护及能耗提出了更高的要求，采用经验类比法设计的大型球磨机静压轴承，运行可靠性较低，故障时有发生，运行能耗和使用维护成本较高，通过科学有效的静压轴承多场耦合仿真分析，以科学的确定轴承结构的主要尺寸参数及其刚度对静压轴承承载能力的影响。

发明内容

本发明的目的提供一种中空轴式静压轴承多场耦合仿真方法，与现有类比设计方法相比，不仅能够降低中空轴式静压轴承的运行成本，而且能提高中空轴式静压轴承的可靠性。

本发明之方法包括以下步骤：

（一）、建立中空轴式静压轴承二维/三维装配模型：包括中空轴轴颈、轴瓦、调心轴承衬体和鞍形座，首先建立计算精度高、效率高的二维多场耦合分析模型，开展多场耦合分析，根据油膜多场耦合的基本规律，建立三维的多场耦合分析模型；

（二）、建立中空轴式静压轴承三维装配有限元模型：将中空轴与轴瓦、调心轴承衬体与鞍形座的接触非线性作为边界条件，模拟轴承对回转体的约束作用，对于非承受载荷的中空轴内部螺旋导槽、筒体内部的波纹形衬板和左右端盖内的衬板用等效材料密度模拟，选取高精度单元，并进行合理剖分，端盖与筒体、端盖与大齿轮间用共用节点法模拟。

（三）、建立流-固-热多场耦合仿真模型：包括中空轴式静压轴承三维装配有限元模型、流体动力学模型和摩擦生热模型；建立在温度场、流体场和结构场耦合条件下大型球磨机中空轴式静压轴承的多场耦合作用关系模型。

（四）、动态载荷谱：采用非线性动力学计算和离散元仿真的方法，以电机-传动系统-球磨机作为一个整体进行研究，建立包含有矿石与矿浆的离散元模型，计算球磨机的起动/制动工况和正常运行工况的动态载荷，综合对比非线性动力学计算和离散元仿真结果，获得球磨机全工作过程的动态载荷谱，为中空轴式静压轴承的流-固-热耦合分析提供边界条件。

（五）、流-固-热多场耦合分析：分析静压轴承的承载能力，以此从系统的角度研究轴承的流场、热场以及结构场之间的强耦合现象；研究轴瓦-油膜-中空轴三者间的相互作用关系，探索中空轴变形以及小包角开式轴瓦变形对油膜完整性的影响；分析温度和压力的变化规律，并且采用模糊多准则理论和灵敏度分析的方法，找出在多场耦合条件下对中空轴式静压轴承性能产生重要影响的因素。

（六）、多场耦合仿真研究结果：提出轴瓦包角、油腔包角、油腔宽度、油腔偏位角、配合间隙、筒体和端盖的刚度、中空轴的刚度和润滑油粘度对油膜承载能力的影响规律；提出静压轴承液压系统参数的确定方法。

本发明的有益效果：能够科学确定静压轴承的液压系统参数，降低静压轴承的运行能耗，为静压轴承的动态设计提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

对照图1所示，本发明之方法包括以下步骤：

（一）、建立中空轴式静压轴承二维/三维装配模型：包括中空轴轴颈、轴瓦、调心轴承衬体和鞍形座，首先建立计算精度高、效率高的二维多场耦合分析模型，开展多场耦合分析，根据油膜多场耦合的基本规律，建立三维的多场耦合分析模型； 

（二）、建立中空轴式静压轴承三维装配有限元模型：将中空轴与轴瓦、调心轴承衬体与鞍形座的接触非线性作为边界条件，模拟轴承对回转体的约束作用，对于非承受载荷的中空轴内部螺旋导槽、筒体内部的波纹形衬板和左右端盖内的衬板用等效材料密度模拟，选取高精度单元，并进行合理剖分，端盖与筒体、端盖与大齿轮间用共用节点法模拟。

（三）、建立流-固-热多场耦合仿真模型：包括中空轴式静压轴承三维装配有限元模型、流体动力学模型和摩擦生热模型；建立在温度场、流体场和结构场耦合条件下大型球磨机中空轴式静压轴承的多场耦合作用关系模型。

（四）、动态载荷谱：采用非线性动力学计算和离散元仿真的方法，以电机-传动系统-球磨机作为一个整体进行研究，建立包含有矿石与矿浆的离散元模型，计算球磨机的起动/制动工况和正常运行工况的动态载荷，综合对比非线性动力学计算和离散元仿真结果，获得球磨机全工作过程的动态载荷谱，为中空轴式静压轴承的流-固-热耦合分析提供边界条件。