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1 前言
球磨机作为将固体物料细化制粉的重要设备，广泛应用于冶金、化工、水泥、陶瓷、建筑、电力、医药以及国防工业等部门。尤其是冶金工业中的选矿部门，磨矿作业更是具有十分重要的地位。近几年来，由于能源费用增长，矿石品位的下降，降低建设投资和生产费用是世界各国矿山工业面临的一个严峻问题，采用高效大型设备是现代选矿厂建设的主要方向，球磨机的大型化已成为技术发展的方向。轴承是球磨机的关键部件，其工作的稳定性直接影响球磨机生产能否正常运行，一旦发生故障，往往给企业带来巨大的经济损失。由于静压轴承具有可靠性高、使用寿命长、能耗小、承载能力大等特点在大型球磨机上广泛应用。本文针对某大型球磨机的回转部静压轴承运用ANSYS 12.0 软件的流固耦合功能进行双向流固耦合分析，计算中空轴﹑轴瓦结构与油膜流体相互作用下，结构的受力情况，校核该静压轴承的承载能力。
2 静压轴承流固耦合分析
静压轴承结构简图如图1 所示，在建立模型过程中，需要对模型进行相应的简化处理，以达到在减小工作量的同时还能够准确的模拟出静压轴承真实的工作状态。 （图片） 2.1 计算模型和边界条件
根据实际确定中空轴外径为2.59m，内径取2.25m，轴瓦的厚度取0.3m，油膜最小厚度取 0.2mm，偏心率为ε = 0.5。油膜跨度取 2/3π。在耦合场模型的建立中，由于油腔的面积大而深度小，因此建立油腔与否基本上不会对油膜的厚度产生非常大的影响，更不会影响到油膜的承载力，因此在建立耦合场模型的时候，可以去掉轴瓦中的油道和油腔，对模型进行了简化。同时，考虑到模型的对称性，取轴承的四分之一进行分析。（图片） 2.1.1 网格划分
使用 ANSYS Workbench 软件分别对静压轴承的中空轴与轴瓦进行网格划分，采用六面体网格（中空轴与轴瓦网格如图4 所示）。使用ANSYS ICEM CFD 软件对静压轴承的油膜进行网格划分，采用六面体网格（油膜网格如图5 所示）。同时，为保证计算精度，在油膜的厚度方向（0.2mm）布置5 层网格。（图片） 2.1.2 物理模型与边界条件设置
中空轴材料为铸钢ZG20SiMn，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度为295MPa。轴瓦材料为铝青铜HT200，弹性模量为135GPa，泊松比为0.27，许用压强值为20MPa。在中空轴没有转动的情况下，两端轴承需要承载400 吨的载荷，因此一端轴上的等效载荷为200 吨，在Workbench 的四分之一模型中，中空轴上加载50 吨；定义Workbench的分析类型为Flexible Dynamic 分析，求解时间1s；轴瓦下表面约束定义为Fixed Support；中空轴与轴瓦模型的对称面约束定义为Frictionless Support；中空轴与油膜接触面定义为Fluid Solid Interface；轴瓦与油膜接触面定义为Fluid Solid Interface。设置完成后将模型导出为fsi.inp 文件。Workbench 模型如图6 所示。
根据静压轴承设计条件，润滑油采用N220，油腔油压定为3.37MPa。CFX 油膜模型中，模型的对称面定义为symmetry；油膜的两个侧面定义为pressure outlet，且出口压力为0Pa；油膜下表面对应的油腔面定义为pressure inlet，且进口压力为3.37MPa；油膜的下表面（除去油腔面，与轴瓦接触的面）与油膜的上表面（与中空轴接触的面），定义为wall，Mesh Motion设置如下，Option 选ANSYS MultiField 选项，Receive from ANSYS 选Total MeshDisplacement 选项，Send to ANSYS 选Total Force 选项；设置完成后，将CFD 模型导出为fsi.def 文件。CFX 模型如图7 所示。（图片） 运行 CFX- Solver Manager 12.0，Solver Input File 选fsi.def 文件，MultiField 选项中，MFX Run Mode 选Start ANSYS and CFX 选项，Mechanical Input File 选fsi.inp 文件，进行求解计算。
2.2 FSI 求解计算结果
计算完成后，运行CFX-Post 12.0 查看计算结果。图8 所示为结构所受应力情况，图9 所示为油膜表面压力分布情况，图10 所示为中空轴流固交界面应力分布情况，图11 所示为轴瓦流固交接面应力分布情况，图12 所示为中空轴流固交界面变形情况，图13 所示为轴瓦流固交界面变形情况。（图片） （图片） （图片） 3 结论
通过流固耦合分析计算，中空轴所受最大应力为28.1Pa，根据回转体的材料为ZG20SiMn，其屈服极限为295MPa 可知，中空轴的最大应力远远小于其去屈服极限；轴瓦应力最大值为3.37MPa，根据轴瓦材料为HT200，许用压强值为20MPa，轴瓦最大应力远远小于轴瓦材料的许用压强值。因此，该静压轴承强度符合设计要求。
参考文献
[1] 浦广益 ANSYS Workbench12 基础教程与实例详解 北京：水利水电出版社
7/8/2013
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