（机械制造及其自动化专业论文）新型动静压轴承设计和性能分析.pdf

摘要 摘要 本文的出发点是提高动压轴承的承载能力和稳定性，从理论方面对普通圆柱 动压滑动轴承的结构改进进行了研究。在普通动压轴承的基础上，通过在动压轴 承的最大压力出口区开设一静压油腔来提高动压轴承的承载能力和稳定性。本文 运用m a t u 圆求解普通动压轴承和新型动静压轴承进行压力分布并且通过计算 和分析二者的静态特性，可以分析出新型动静压轴承的性能特点。 在对新型动静压轴承进行理论计算时，轴承内部油膜压力分布是求解的关键 部分。通过求解动静压滑动轴承二维r e y i l o l d s 方程，对轴承的油膜承载面进行 网格离散化，采用差分法将r e y n o l d s 方程化为线性方程组，并利用超松弛迭代 法对方程组进行求解得出了轴承的油膜压力分布。使用m a t u 姬对压力分布进 行了图形仿真。通过性能计算，新型动静压轴承在承载能力和稳定性等方面得到 显著提高。 本文通过对普通动压轴承和新型动静轴承进行计算和分析，进一步验证了新 型动静压轴承的性能：与普通动压轴承相比，承载能力大幅度增加，油膜厚度和 压力区加大，稳定性明显提高。从而为新型轴承的实际应用奠定了一定的理论基 础。 在轴承设计过程中，采用m a t u 蛆可以绘制出高质量的仿真图形，而且程 序本身也比较简单易懂。为进行液体动压或动静压轴承的性能分析以及结构设计 提供了一种方法。 关键词动静压轴承；油腔；有限差分；网格 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e ri n v e s t 噜a t e so ns m l c t u r e 曲p r o v 锄e f l ta n d0 p “m 啪d e s i 弘o f h y b r i d b e 积n gi n 伽e o r yi no r d e rt oi m p m v el h el o a d 曲i l i t yo f b e a r i h ga i l ds t a b i i i t y o nt h e b a s eo n en c wh y b r i db e a r i n gw 池o i lc a v 毋h a sb e e nd e s i 弘e d 1 h o u 9 1 ls o l “n gi t s 锄df h l lh y b 耐b e 撕n g st 、v o d i m e l l s i o nr c y i l o l d se q u a t i o nw i mm a t l a b ，t 1 1 eo i l p r 髓s u r ed i s t r i b u t i o no fb o m 押ob e a d n gc a nb eg a i n e d t h ec h a 瑚c t 盯o ft h e 删 b e a r i n gi so b t a i n e dw i t ht h ec a i c u l a t i o na n da i l a l y s i so ft t l es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft l l e t w ob e 8 r i n g t oc a l c u l a t em ef i e l dp r e s s u r ed i s m u t i o no f h y b 耐b e a r i n gi sm ck e yp 硪o f n l e p 印e lb ys o i v i n gr e ”o i d se q u a t i o no f h y b 耐b e a r i n 舀o i l l o a ds l l r f k eo f t h eb e a m g i s 骶a t e dw i t l l 鲥dd i s c r e t i z a t i o n f i r s t l y r e y n o l d sc q u a t i o ni sc o n v e r t e di i l t ol i 芏l e a r e q u a t i o n 簪o u pb yu s i n gd i 行b r e n c em e m o d s b yt l l e s u c c e s s i v eo v e rr e l a x a t i o n m e m o d s ，m el i n e a re q u a n o n 母o u pi ss o l v e da l l dt h ep r e s s u r ed i s 嫡b u t i o ni so b t a i n c d s e c o n d l y ，m en u m e r i c a li n t e 伊a lm e m o d i sa p p l i e di nt h ec a l c u l a t i n go f b e a r i n gs t a t i c p e r f 0 衄a 1 1 c e s1 i k el o a dn u m b e r a l t i t u d ea i l 舀e a to n et i m e t h ep a p e r 锄p l o y st h e m a t l a bs o f h v a r et os i m u l a t em ep r e s s u r cd i s 砸b u t i o no ft h cb e a r i n 辱1 m e c a l c u l a t i o nr e s u l tm a k e si tc l e a rt h a tt h en e wh y b r i db e a r i n gh 够m a d eb e 曲e r i m p r o v e m e n ti nt e n n so fl o a da b i l i t ya 1 1 ds t a b i l i t y w h i c hi s0 b v i o i l s l ys u p e r i o ft of i l l l 1 1 y d r o d y i l 砌cb e a r i n gi np e r 白m a n c e f r ；。mt h ep 印e rw ec a ng e to n ew a yt o i m p r o v et h eb e a r i n g sp e r f b m l a n c e t h ec a l c u l a t i o na l l da i l a l y s i so f m eh y d r o d y i l a m i cb e 删n ga n dt l l eh y b r i db e a 咖g t 鹪t i 匆m eh i g l lp e r f o n n a i l c eo f m en e wb e a r i n 舀w h i c hl a ym es o l i dt h e o r yf o u n d 撕o n o f m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h en e wb e a r i n g d u f i n g 虹屺c o u r s eo fb e a d n gd e s i g n i n 昌m a t l a bc a n d r a wk g hq u 以i t y 矗g u r e o f 也ep r c s s u r ed i s t r i b u t i o n a sa ne f r c c t i v et o o l ，i tc a i lb eu s e df o rd e s i g m n gd 询汹蜘t k i n d so f h y b r i db e 嘶n g k e y w o r d sh y b r i d b e a r i n g ；o i lc a v i t y ：f i n i t ed i f 陆e n c e ；鲥d h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名：显之日期： 肆房步 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 随着工业的现代化进程和信息科学的迅速发展，作为产业革命主力军的制造 业，在国民经济中的战略性地位显得越来越突出。随着我国制造业的迅速发展， 制造技术水平也进入世界前列。尽管，目前我国制造业的科技创新能力有了不同 程度的提高，但是平均水准还比较低，基本上都是渐进性创造和产品创新为主， 突破性创新和工艺创新还很少，生产产品品种少，附加值和技术含量低。传统的 制造技术由于存在着技术附加值低、周期长、成本高等因素，已严重制约了国民 经济的发展，随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量大批 量一多品种变批量的方向发展，以及以计算机为代表的高技术和现代化管理技 术的引入、渗透和融化，不断改变着传统制造技术的面貌和内涵。随之而来的是， 现代先进制造技术迅速发展起来。 先进制造技术( a m r 一a d v a l l c e dm 盟u f ；俄嘣n gt e d m o l o g y ) 是在制造系 统和制造过程中有机融合并有效应用微电子、信息、管理等现代科学技术，优质、 高效、低成本、及时地制造出市场需求的产品的先进工程技术的总称。制造技术 是一个永恒的主题，是设想、概念、科学技术物化的基础和手段，国家经济与国 防实力的体现，是国家工业化的关键【l l 。 当前，世界先进国家都在大力开展先进制造技术基础研究，尤其美国、日本、 韩国、德国都在强化制造业的重要位置。制造业已成为国家经济发展的重要支柱 之一，直接反映一个国家的综合实力、科技水平、生活水准及国防力量。 在制造业中，机床工业占有十分重要的地位。机床工业是现代工业的基础， 是国民经济中的战略产业。对我国而言，机床工业不仅仅具有重要的经济意义， 同时还涉及到国防工业和国家安全，做强作大我国本土机床工业，是2 l 世纪我 国的必然选择。随着我国加入w t o ，我国机床工业正直接面临外国机床工业的强 大挑战，今后一段时间，将是我国机床工业战略考验期，选择正确的发展我国机 床工业对策，显得十分重要。2 0 0 6 年我国机床工具行业产量增速将保持在1 5 左右，全行业工业总产值达到1 5 0 0 亿元。未来国内市场对机床产品需求呈现新 特点：规格上需求大型、重型多，中小型少；水平上需求高档、数控机床多，普 通机床少。目前我国年产量虽已达到6 万台，但简单的经济型数控机床占到近 7 0 ，高中档数控机床几乎全部依赖进口，结构矛盾依然突出。 因此我国鼓励大力发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件， 研究和开发重大装备所需要的关键基础件和通用件的设计、制造、批量生产的关 北京工业大学工学硕士学位论文 键技术【2 1 。改变大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空 航天等工业发展的需要。 而作为机床主轴关键部件放的高速主轴无疑占有十分重要的地位，高速主轴 的支承显然也是重要的研究方向。自英国于1 8 8 0 年生产出第一批轴承以来，轴 承工业已经经历了1 2 2 年的发展历程。工业标准的制订，先进科学技术的在轴承 设计中的应用，全球轴承工业已发展至年销量额达3 0 0 亿美元的规模，取得了惊 人的成就。轴承的形式从单一的滑动轴承开始发展，出现了拥有不同种类滚动体 的多种结构类型的滚动轴承，到现在的主轴单元，已成为各行各业发展的有利支 撑。为世界的工业、农业、国防和科学技术的发展以及为人类生产的改善和提高 都做出了巨大的贡献。 目前，高速数控机床的主轴轴承主要采用以下几种结构的轴承：高速精密角 接触球轴承、陶瓷球角接触球轴承、磁力轴承和流体动压、动静压轴承。前两种 轴承虽然得到了广泛的应用，但其速度性能不仅取决于设计和安装，而且与允许 的温升和采用的冷却方法有很大的关系，另外，陶瓷球轴承和磁力轴承虽然能显 著提高轴承的速度、精度及刚度性能，但其耐冲击性较差，而且目前的加工工艺 性能和效率较低，还有待于进一步提高。动静压轴承是近年来出现的集动压轴承 和静压轴承优点的混合轴承，兼有动压轴承和静压轴承的优点，现已广泛应用于 金属切削、冷轧机、水泥磨机、水轮发电机等机械装置上，由于动静压轴承的优 点，在磨床行业已基本取代了静压轴承。动静压轴承的长寿命使其应用广泛。例 如一种钠润滑的小孔式动静压轴承己在一个原子反应堆中安全运行了1 5 年。动 静压轴承还常用于直升飞机齿轮箱、轧钢机、离心浇注机、球磨机、铣床上，近 年来在航空航天飞行器上也开始得到应用。动静压轴承技术仍在发展之中。可以 预见，随着机器设备向高效率、高精度方向发展，将会涌现更多新结构的动静压 轴承。动静压轴承技术将会应用更广泛。 1 2 新型动静压轴承研究的意义 轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它的主要功能是支承旋转轴 或其它运动体，引导转动或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。轴 承与各类主机的工作精度性能、寿命、可靠性和各项经济指标，都有着密切的关 系；尤其是科学技术的发展，各类主机对轴承提出了很多特殊的要求，这些要求 反过来又促进了轴承工业的发展，研制和生产出许多特殊种类的轴承。轴承在国 民经济发展和国防建设中正起着越来越突出的作用，因此可以毫不夸张地说：轴 承技术代表着世界整个工业的发展水平。 在轴承中应用范围最广、人类最早采用的是种类繁多的滑动轴承。滑动轴承 主要适用于高精度、重载、强冲击、轴承结构需要剖分、或者低速轻载以及不重 要的场合【5 】。滑动轴承因面接触大而承载能力大；轴承工作面上的油膜有减振、 抗冲击和消除噪声的作用。处于液体摩擦状态下的滑动轴承，其摩擦系数非常小， 磨损很轻，寿命很长；滑动轴承可以达到很高的回转精度；对结构的径向尺寸要 求较低，对大型轴承，其制造成本低于滚动轴承，以及滑动轴承径向尺寸小，可 以制成剖分式而便于装配。 根据压力形成的方式，滑动轴承可分为流体静压轴承与流体动压轴承两类。 在流体静压轴承中，润滑剂是在压力的作用下从外部进入轴承承载区的。在流体 动压轴承中，轴颈以一定的转速相对于轴承孔作旋转运动，润滑剂则靠轴颈旋转 带入收敛的间隙中，自动地形成压力。在外载荷作用下，利用轴颈的回转，把润 滑油带入轴颈与轴承工作表面之间形成油膜；在一定条件下，当油膜厚度超过轴 颈与轴承工作表面微观不平度的平均高度之和时，就能把它们完全隔开形成液体 摩擦，处于这种工作状态下的轴承就称之为流体动压轴承。在外载荷作用下之所 以能形成较厚的油膜，是由于润滑油在轴颈回转时会产生压力，在一定条件下， 油膜压力足以平衡外载荷，使轴颈悬浮起来。 流体动压滑动轴承是滑动轴承中应用最广泛的一类，按承受的载荷方向可分t 为径向轴承和止推轴承，径向轴承主要承受径向载荷，而止推轴承则主要承受轴 向载荷；径向类滑动轴承按结构不同又可以分为圆柱轴承、多瓦块轴承、椭圆轴 承等几种类型。油润滑动压轴承，包括有单油楔( 整体式) 、双油楔、多油楔( 整+ 体或可倾瓦式) 、阶梯面等多种类型，润滑特点各有不同。在动压轴承中应用最 多的是一般要求在回转时产生动压效应，主轴与轴承的间隔较小，有较高的刚度， 温升较低等。 流体动压轴承不仅继承了一般滑动轴承的优点：在高速时较滚动轴承寿命 长，运转平衡，对冲击和振动敏感性小，而且在一些要求高速、高精度、重载、 强冲击以及在特殊条件( 如水或腐蚀性的介质中) 的场合工作下，具有其他轴承 难以与之相比的优越性能，因此在工程中的各类回转机械，如大型汽轮机、轧钢 机、印刷机械和目前发展比较迅速的数控机床主轴等中都得到了广泛应用。正是 由于动压轴承的日益重要性，长期以来，很多国内外学者如平克斯( o p i n k u s ) 、 伦特( j w l u n d ) 及格林尼克( j g l i e l l i c k e ) 等都对此进行了比较广泛而深入的 研究。但由于轴承最小间隙后部的低压区及油膜刚度的强不对称性的影响，对动 压轴承的研究一直存在下述几个难以解决的问题f 7 】：存在油膜振动现象，限制了 转子稳定运转极限转速的提高；油膜的水平方向( 垂直于主要载荷方向) 刚度低， 抵抗不平衡振动的能力差；在重载情况下，最小油膜厚度太薄，引起轴承的磨损 甚至破坏：摩擦损耗大，导致轴承温度偏高。 而流体静压轴承在大约1 0 0 年以前就出现在法国，但直到本世纪中叶才逐渐 北京工业大学工学硕士学位论文 引起人们的重视。1 9 3 8 年，美国加利福尼亚帕洛马尔( p a l o m a r ) 山观象台的5 m ( 直径) h a l e 望远镜转台采用液体静压轴承，使液体静压支承第一次在低速重 载的工况下显示出其无与伦比的优越性。1 9 5 3 年，瑞士e s c h c r w 鼬s 公司的组合 立式车床，工件最大直径1 6m ，重1 6 0t ，工作台最大转速l or m i n 。使用静压 轴承时驱动功率仅为1 4 0 马力，若用动压滑动辎承。驱动功率则需3 6 0 马力。在 机床制造业中，法国工程师g e r a r d 于1 9 4 8 年首先在磨床上应用静压轴承。静压 支承的特点是：流体润滑装它的建立与其速度无关，静压支承可以在很广的速度 范围内和载荷范围内无磨损地，由于运动副之间完全被油膜或气膜隔开，从而大 大地减少了表面加工误差的影响，使之具有很高的运动精度。但是它的供油系统 复杂，能源消耗大，抗振性( 挤压骐效应) 不如动压轴承。此外，当苇流形式和 间隙确定之后，静压轴承的承载能力，主要决定于供油压力、承载尺寸和油腔结 构等。如果这些参数受到某些限制不能满足设计要求时，轴承的性能会显著变坏， 特别是在考虑油液可压缩的情况下，静压轴承承受变载荷的能力较差，常常发生 油膜振荡而严重影响支承精度。如果出现事故，如停电、供油系统故障或操作失 误时，静压轴承很容易发生磨损。甚至烧瓦现象。 动静压轴承是八十年代发展起来的一种新型滑动轴承，液体动静压轴承是在 液体动压轴承和液体静压轴承的基础上发展起来的新型油膜轴承。在动压轴承的 基础上，于适当的位置开设适当数量和大小的静压腔，这些静压腔都配备适当的 静压供油系统，同时又配备一套动压供油系统，从而形成液体动静压轴承。动压 轴承的油楔动压效应，使之在设计转速下，承载能力大、系统刚性好、但在启动、 停车时不能形成油膜润滑，易磨损，精度、寿命受限制，而静压轴承有承载力不 受转速的限制的特性，但节流器结构复杂、易堵塞、安全可靠性差。动静压混合 轴承在结构上同时实现了两种轴承的功效，相互弥补不足。 现代先进制造技术的发展要求机电设备的转子系统具有越来越高的运转速 度、旋转精度和稳定性，尤其是现代数控技术的高速发展，对转子系统提出了更 高的要求。数控技术是先进制造技术的重要核心之一，关系到国家工业战略地位 和综合国力水平。数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家制造业现代化水平的 重要标志。目前世界各个国家数控产业发展的主要方向之一是数控设备的高速高 效化。而实现这种高速高效化的关键因素之一还有赖于机床主轴转子系统性能的 保证。例如，高速加工中心的主轴最高转速一般要求达1 2 0 0 0 1 5 0 0 0r m i n ，而 国外有的甚至高达4 0 0 0 0 一6 0 0 0 0 “m i n 。大型汽轮发电机组则以6 0 万k w 以上机 组为发展方向，对转子系统的承载能力、稳定性和可靠性提出了更高的要求。大 型风机制氧空压机则要求转子速度高达万转分以上。其他如汽车发动机、钢铁 及化工机械设备、印刷机械大都有类似的发展趋势。上述各类机电设备的转子系 统大多以流体滑动轴承为主要支承构件【叭，因此，研究具有高承载能力、高速、 第l 章绪论 高稳定性的动静压轴承成为现代工业发展的关键技术。 当前，我国的制造业还不很发达，许多技术与世界发达国家相比还存在较大 的差距，随着我国加入w t o ，我们的民族工业势必上会因此而受到更大的冲击。 动静压轴承技术已被实践证明在精密机械设备、大型和重型机械设备、机床 主轴领域内是很实用的高新技术。从这个意义上说，开展高性能动静压轴承的研 究和应用工作不单单是提高生产率的问题，对于我国的民族工业发展也具有重要 意义。 1 3 动静压轴承国内外研究和发展状况 液体动静压轴承的出现和应用较晚，它是在动压轴承和静压轴承的基础上发 展起来的一种较新型的全液体摩擦轴承。而液体动压轴承有着很长的历史了，它 的应用研究已超过1 0 0 年【l o 】。全液体摩擦的动压轴承被称为“动压油膜轴承 已有大半个世纪的历史。对于动压轴承的研究，不少国外学者都做出了巨大的贡 献，如日本学者t s 啪c os o m e y a 等人对近百种不同结构、尺寸的动压轴承进行了 系统的实验研究和数值计算工作；l c o s t e 等人则研究了进油槽位置及供油压力 对轴承性能的影响l “j 。 1 9 3 4 年美国首次在冷轧机上采用动压油膜轴承。美国摩根公司第一次将静 压润滑油加入油膜轴承中是在1 9 4 9 年，1 9 5 5 年正式将这个做法应用到产品中。i 我国2 0 世纪6 0 年代初从丹麦购进一台水泥磨机，其轴承带有静压润滑系统。这 种轴承最早被称为带有静压润滑的油膜轴承，是为解决机器启动，尤其是满载启 动时的困难。 液体静压轴承的原理早在1 9 世纪就已经被发现，但直至2 0 世纪5 0 年代才 在发达国家兴盛起来。我国从2 0 世纪5 0 年代后期开始液体静压轴承的应用研究 工作，2 0 世纪6 0 年代初开始在金属切削机床上推广应用。动静压轴承则是在动 压轴承和静压轴承的基础上发展起来的。我国从2 0 世纪7 0 年代初期开始研究液 体动静压轴承技术，并于2 0 世纪7 0 年代中期开始在金属切削、冷轧机、水泥磨 机、水轮发电机等机械装置上推广使用。 动静压技术经历了1 0 余年的流体动力学分析和严格的实验，作为摩擦学专 业的一个重要分支，各项理论和实验研究文献多见于美国权威的机械学杂志 a s m e 润滑分册和清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学等校的论文 及研究报告中。同时通过不断的工业实践，在磨床主轴系统中己逐渐替代了原来 的瓦块式动压滑动轴承及滚动轴承、静压轴承等【”j 。 在我国，液体动静压混合轴承是我国8 0 年代发展起来具有世界先进水平的 高新技术产品。1 9 9 3 年和1 9 9 7 年郑州大学岑少起教授分别提出圆锥浮环和径向 北京工业大学工学硕士学位论文 一推力联合浮环动静压轴承结构并两次获得国家自然科学基金会资助，并于 2 0 0 5 年再次获得国家自然科学基金资助的项目三维浮环动静压轴承一转予系统 特性及主动控制研究。 中国工程院院士，著名精密机床及工艺专家周勤之是我国静压轴承开创人之 一，新开发的动静压轴承在高精度外圆磨床使用达到国际水平。吸收国外技术试 验开发镜面磨削外圆磨床开创我国镜面磨削先河。 北京航空航天大学的科研人员在充分利用已有科技成果的基础上，经过理论 计算和结构优化，研制出w m b 型液体动静压混合轴承。该产品利用孔式环面节 流与浅腔节流串联的结构，使压力油进入油腔中产生足够大的静压承载力，将主 轴悬浮在高压油膜中间，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的于摩擦造 成的轴与轴承磨损现象，提高了主轴的使用寿命及精度保持性；当主轴启动后， 依靠浅腔阶梯效应形成较大的动压承载力，大大地提高了主轴刚度；高压油膜的 均化作用和良好抗振性保证了主轴具有很高的旋转精度和运转平稳性。目前， w m b 型表面节流液体动静压混合轴承在改造旧精密磨削设备方面用得依然比 较多。 近年来，国外在液体动静压混合轴承的研制方面取得了相当大发展。美国 t e 髓大学进行了以纯水作工作介质，实现3 0 0 0 0r i n i i l 转速型液体动静压混合轴 承的理论与实验研究。德国西马克公司研制的动静压混合轴承可支承压力为 2 5 0 0t ，腔最高压力为1 4 0m p a ，轴承半径间隙为o 5 舳的轧辊动静压轴承l 。 德国s 枷t 公司开发的砂轮线速度为6 0 n 幽的高速磨床，成功地采用动静压混 合轴承。 随着制造工艺水平的不断提高，以及对于动静压轴承的不断研发，动静压呈 现以下发展趋势：静压轴承、动静压轴承有向多油腔发展的趋势，在台湾就有五 个油腔的静压轴承在磨床上应用；向高速发展的趋势动静压轴承的速度越来越 高。当今科技不断进步，工业发展对机械转子系统的要求越来越高，需要高精度、 低功耗、高稳定的轴承作为系统支承件，并且朝着高速、重载荷的趋势发展，要 求在低速和高速时都具有较好的承载力和动态性能，有较宽的速度范围和无摩擦 工作区域，较高的位置精度和旋转精度。随着润滑理论和轴承研究理论的不断深 入和发展，具有各种结构类型和功能、满足不同使用要求的新式动静压轴承还将 会不断涌现。 1 4 课题背景和本论文主要工作 新型动静压轴承设计和理论计算是北京市教委科技发展计划项目。本课题预 计从理论方面对普通圆柱动压轴承进行结构改进，设计一种新型动静压轴承，并 经过不断研究和探索，以期为这种轴承的研究奠定理论基础。 本文就稳定工况下对动压轴承和新型动静压轴承进行了压力分布求解，然后 通过积分求得其承载能力系数和偏位角等静态特性。采用m a t l a b 对流体滑动 轴承进行求解，可以将轴承内部油膜压力分布形象直观的表现出来。 本文主要的研究工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 对普通动压轴承，在稳定工况下的雷诺方程进行了数值求解用积分差 分法，采用5 点差分格式对方程进行了离散处理，得出线性方程组。利用超松弛 迭代法求解方程组，得出压力场的分布状况，然后积分求出轴承的承载力、偏位 角等静态特性。 ( 2 ) 对新型动静压轴承进行方案设计结合普通动压轴承压力分布特点，进 行结构改进，采用在轴承最大压力点后的出口区，设置一个静压油腔的方法，作 为新型动静压轴承的基本结构型式。 ( 3 ) 对新型动静压轴承进行性能分析针对静压腔的不同位置和大小，对其 进行性能分析，并求解承载力系数和偏位角等参数。 本文求出的静特性均为无量纲值，这些数值都是用差分法解r e y n o l d s 方程 而求得的，计算时未考虑粘度不均匀分布的影响。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章动静压轴承的理论基础 2 1 动静压轴承的结构特点和工作原理 2 1 1 动静压轴承的分类 动静压轴承则是一种兼有动压及静压优点的轴承。它的正常工作速度范围较 大，又利用了油膜的动压效应。动静压轴承有着其独特的设计方法，不能照搬用 于动压或静压轴承的设计方法。动静压轴承可以按照工作原理、轴承结构、对轴 承供油方式和用途等分类。 ( 1 ) 按照工作原理分类静压浮升、动压工作式。这是一种在正常转速时动 压工作、低转速时静压工作的油膜轴承。轴承启动、制动过程或主轴转速低于某 一临界值时为静压作用，在轴承正常运行过程中为动压作用，静压供油系统停止 工作。这样工作的动静压轴承成为静压浮升式动静压轴承或第一动静压轴承。 液体动压轴承是依靠主轴和轴承做相对运动，依靠润滑油的粘性剪切应力作用产 生油膜压力，形成轴承的承载力。当主轴转速低于某一临界值时，一般认为当轴 的转速低于lm s 时，润滑油的黏性剪切应力作用所产生的油膜压力就不能形成 足够的承载力来承受外载荷，使轴承处于半干摩擦甚至干摩擦状态。如果在这时 引入静压轴承贝l j 情况完全不同。在静压效应的作用下，轴承将仍有足够的承载力 来抵抗外载荷，而且始终保持液体摩擦状态。这种静压浮升式动静压轴承多应用 在重载荷的场合，如球磨机、轧钢机、水轮发电机，特别适合用于带载启动的机 械。 动静压混合作用式。这是一种依靠动压和静压混合作用工作的油膜轴承，称 为第二类动静压轴承。这类动静压轴承的静压供油系统不仅在启动、制动和主轴 转速低于临界僮时工作，而且在轴承正常运行时也继续工作。动压效应和静压效 应同时起作用，形成轴承的承载力。一般称这种轴承为动静压混合作用式动静压 轴承。这类动静压轴承的特点是静压系统连续工作。由于它的承载力是由动压效 应和静压效应共同形成的，所以承载力比较高或者工作时在最小油膜厚度值较 大。这类轴承多用于轻载且要求刚度较大的场合，例如金属切削机床。特别适合 用做精密级金属切削机床主轴部件的轴承。 静压工作、动压作用辅助式。这种轴承以静压为主，动压为辅。这样有两个 目的：充分利用油膜动压效应，增大轴承承载力；静压失效时，轴承有一定的保 护作用。这类轴承称为第三类动静压轴承。这种轴承是按静压轴承来设计的，但 人为的保留较大的动压滑动面。这样轴承运行时，旋转精度较高，刚度大。如果 第2 章动静压轴承的理论基础 静压供油系统失效时，这些动压滑动面，可以起到很好的保护作用。这种轴承适 用于安全系数和主轴精度要求较高的精密机床。 ( 2 ) 按照轴承结构分类动静压轴承按照其结构分类，如图2 一l 所示。 图2 - l 动静压轴承的分类图 f i 鲫2 1t k d a 鹞i & 撕0 n o f i h e h y b 嘲b 蜘r i n g ( 3 ) 按照动静压轴承供油方式分类按照供油系统的数目可以分为单系统和 双系统；按照对静压油腔的供油方式可以分为恒压式和恒流量式。恒压式又可分 为缝隙式、毛细管节流、小孔节流，多用于机床及小型机械。恒流量式又分单泵 加分流器和单泵对单油腔，多用于机床和大重型机械。 2 1 2 动静压轴承的工作原理 ( 1 ) 第一类轴承这类动静压轴承有两个供油系统，一套为低压供油系统， 另一套为高压供油系统。轴在轴承内静止时与轴承工作表面接触。假若是一个动 压轴承，这时启动会发生金属面的相互摩擦。同样的情形也会出现在轴的制动过 程，那是轴承减息内油膜逐渐减薄难以避免金属面的接触。第一类轴承可以很好 的克服这个缺点。通过一个静压供油系统使注入静压油腔的油从轴承减息泄出而 北京工业大学工学硕士学位论文 形成一层压力油膜。若静压油腔压力与静压油腔有效面积的乘积等于外载荷，轴 被顶起，脱离与轴承直接接触，实现了液体摩擦。 静压油腔有效承载面积并不是油腔本身的面积，而是一个大于油腔面积的 值，它考虑了又流出后的压力分布，油膜压力的覆盏范围远远大于静压油腔本身。 当轴以正常工作转速运行时，静压供油系统停止向静压油腔供油，此时，另一个 系统向动压油腔继续供油以保持动压润滑的需要，这时轴的外载荷将全部由油膜 的动压效应所产生的作用力来承受。 ( 2 ) 第二类动静压轴承在供油方式分类中，动静压混合作用的轴承只带有 一个恒压的供油系统。在轴承工作的全过程中，这个供油系统始终不停止。轴承 的油膜压力有动压成份也有静压的成分。油膜压力带有两种油膜压力混合的特 征。这两种油膜压力的合成不是简单的叠加，可以通过动静压轴承理论计算得出 嗍。 ( 3 ) 第三类动静压轴承这类轴承工作原理和第二类相同，一般只带有一个 恒压的供油系统。在设计这类轴承时，要使静压油腔和轴承的工作表面合理安排。 本课题的新型动静压轴承工作原理上属于动静压混合作用式，属于第二类动 静压轴承。轴承结构则是静压油腔非对称分布中的单油腔：采用的是单系统恒压 式供油方式。 2 1 3 动静压轴承的静压组成部分 本课题的研究内容为新型动静压轴承设计及理论分析，是在酱通动压轴承的 基础上进行结构改造，通过在动压轴承最大压力出口区开设一静压油腔，通过静 压腔的静压效应，迸一步提高轴承的承载能力和稳定性。因此静压润滑在新型轴 承的起着重要的作用。 液体静压润滑的原理是将具有一定压力的润滑油送到轴承的静压腔内，形成 具有压力的润滑油层，来形成承载力，承受外载荷。静压润滑的轴承利用外界供 给压力油，形成承载油膜密封于完全液体摩擦状态，起动力矩小，效率高。油膜 刚性大，吸收性强，运行平稳，精度高。轴承不磨损，寿命长，长期保持精度。 可以运用在低速和重载的场合。但是静压润滑也有着其缺点，就是静压润滑的供 油系统设备费用高，锥护麻烦。形成静压润滑必须有润滑油，因此静压腔需要一 套供油系统。通常对于静压轴承来说供油装置一般都比较复杂，能源消耗比较大， 这也是静压轴承的缺点。静压润滑的供油方式主要有两种，恒流量供油和恒压供 油f 1 9 1 动静压轴承当采用恒流量供油时；其静压腔与供油泵直接相连，其供油压 力即为静压油腔内部压力。恒压供油时，用一个输出压力基本保持不变的油泵， 同时向轴承所有的油腔实现供油，当静压油腔不串联节流器时，静压油腔中的压 第2 章动静压轴承的理论基础 力即为油泵的供油压力，本文中的静压腔从设计角度上采用的就是恒压供油方式 ( 不串联节流器) ，通过油泵直接向静压油腔供油。油腔内部压力即是油泵的供 油压力。在下文进行数值计算时，给定的静压油腔的压力是一个无量纲的油膜压 力下图即为静压腔供油系统示意图。 2 4 l f l 、 朋f fif if1fff lf 爪 、73 卜1 粼阑 l 占i 1 运动件2 轴承封油面，3 一静压油腔4 - 承导件5 压力补偿元件6 供油泵 图2 2 静压腔供油系统示意图 f i g u 彤2 - 2 t h e s 姒m a po f s t 撕c 珥璐蛐坤伽而l y o i l s i l p p l y s ”啦咖 静压腔的设计时必须考虑以下几种因素： ( 1 ) 位置因素通常我们开设的静压油腔在轴向位置关于中心线对称或者对 称分布在中心线的两侧，而静压油腔的周向结构分布形式则有许多种类，常见的 有以下几种3 6 0 0 中央单油腔、3 6 0 0 轴向双油腔、3 6 0 0 周向四油腔( 如图2 3 所示) 、 1 2 0 0 中央单油腔等形式。但是在动静压轴承中静压腔的个数和位置配备比较灵 活，可以根据轴承的具体结构以及轴承的应用场合等因素，选择腔的个数和位置。 总的来说，静压腔对于不同的应用场合有较大的适应性 ( 2 ) 尺寸因素在动静压轴承中，通常静压腔的深度t 2 0 h 。，一般认为深度 大一些好，但不能超过巴氏合金的厚度，尤其是静压腔。如果超过，则在润滑油 的作用下会加速巴氏合金的剥落。在动静压轴承中，动压效应是轴承承受载荷的 重要方面，在设计静压腔时要尽量保留动压效应，其方法是静压腔的面积尽可能 北京工业大学工学硕士学位论文 的小。静压腔的面积小，静压供油压力将增大。静压腔的压力太高，会给静压供 油系统的设计带来困难；轴承的动压承载能力不致因静压腔的开设而有太大的损 害，使轴承仍有足够承载力，满足载荷能力的要求。因此，静压腔的总面积不宜 过大。为便于加工，推荐静压腔为矩形油腔。还有静压腔周向包角口会影响轴承 的静压腔有效承载面积和动压效应的承载力。推荐静压腔周向包角1 5 0 口2 5 0 。 若采用动静压混合作用式动静压轴承，由于静压供油系统长期工作，为选择适当 的静压供油压力，静压腔的周向包角是可以适当加大的，但是单个油腔的包角通 常不超过6 5 0 。 静压腔的轴向位置关于轴向中心线对称，其轴向的尺寸的交化，会引起其轴 承承载面积发生变化。从静压腔总的承载面积不宜过大的角度来考虑，对于中央 单油腔结构形式的轴承，推荐静压腔轴向宽度厶与轴承宽度三之比为l 3 1 2 。 2 2 雷诺方程 静压腔周向包角 图2 - 3 静压腔示意图 f i g 呲e2 0t h e j 讲m l a lb e a r i n gw i 出o i l v i t y 新型动静压轴承是在普通动压轴承的基础上进行结构改造，而形成的一种新 的轴承结构形式，既有普通动压轴承的动压润滑作用，又有静压油腔的静压润滑 支撑作用。无论是动压轴承还是静压轴承及动静压轴承都是流体润滑轴承。而对 流体润滑轴承进行求解的基础方程就是雷诺方程。 计算轴承的特性时一般先由r e ”0 1 d s 方程解出压力分布，然后积分求出承 载力、阻力、流量等。这里只研究定常工况即：载荷和转速等均不随时间而变化 且有等温度的润滑油径向圆柱轴承等基本情况。 计算轴承的静态特性的理论主要有【2 l 】：无限宽轴承理论、短轴承理论、有 第2 章动静压轴承的理论基础 限宽轴承理论。 从数学的观点来看，各种流体润滑计算的基本内容就是对r 掣n o l d s 方程的 应用和求解。从十九世纪，人们开始对流体动压现象的研究以来，流体油膜产生 动压的机理现在已经趋于成熟，现代流体润滑润滑理论已经得到长足的发展。 r e y i l o l d s 方程是二阶偏微分方程，最初人们依靠解析方法求解，对其进行简 化处理来获得近似解，这样的理论解往往具有很大的误差。由于手段的更新，使 得求解雷诺方程越来越精确。 一是计算机的发展，复杂的润滑问题有可能进行数值计算。 二是先进的测试技术使的在润滑现象的实验研究中可进行深入细致的观察， 从而建立更加符合实际情况的物理模型。 2 2 1 雷诺方程的建立 雷诺方程是从粘性流体动力学的基本方程出发，作了一定的简化、假定而导 出的。这些假设是圆：忽略体积力的作用，如重力或磁力等；流体在赛面上无 滑动，即贴于界面的油层速度与界面速度相同；在沿润滑油膜厚度方向上，不计 压力的变化。由于油膜厚度仅百分之几毫米，事实上压力不可能发生明显的变化， 与油膜厚度相比较，轴承表面的曲率半径很大，因而忽略油膜曲率的影响，并用 平移速度代替转动速度，润滑剂是符合牛顿粘性定律的流体。这对于一般工况条 件下使用的矿物油而言是合理的，流动为层流。油膜中不存在涡流和湍流，对于 高速大型轴承，可能处于湍流状态，与粘性力比较，可忽略惯性力的影响，包括 流体加速的力和油膜弯曲的离心力。然而，对于高速大型轴承需考虑惯性力的影 响，沿润滑油膜厚度方向粘度数值不变。这个假设没有实际根据，只是为了数学 计算方便所作的简化。 对于一般流体润滑问题而言，前面几项假设基本上是符合实际的，流体运动 的坐标图如图2 - 4 所示。而后面三项假设是简化而引入的，只能有条件的使用。 在某些特殊工况下必须加以修正。 图2 4 流体运动的坐标系 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 f i g u 2 _ 4t h em o w 彻舢tc o o i d i 嘧o f l h en u i d 图2 4 中，表示膜长，表示某特殊处的膜厚，u 、矿表示运动固体的速度， 并取z 为工，z 方向尺寸的相对单位，为y 方向尺寸的相对单位，【，、矿和矽 分别为z 、儿z 方向速度的相对单位。 对油膜中微元体进行受力分析，并利用流量连续方程和牛顿粘性定律后导出 的r e y n o l d s 方程的普遍形式如下： 昙降刳+ 昙降刳= 柽) + 昙) 却哮 ，苏l 刁缸j 七l ，7 岔jl 缸一岔、。7 。 a fj 、7 式中 p 油膜压力( n ，m 2 ) ； 玎调滑油的粘度( n 咖2 ) ； z 轴瓦的轴向坐标，原点取在中面上； f 时间( s ) ； i l 轴颈表面位置的油膜厚度； r 袖的旋转位移( m ) 。 2 2 2 动压形成的原理 普遍形式的r 胛o l d s 方程( 2 1 ) 的左端表示润滑膜压力在润滑表面上随坐标 x ，) r 的变化，右端表示产生润滑膜压力的各种效应。 将r e y n o l d s 方程的右端展开，各项的物理意义如下： 【矽銎、阡娑由流体膜形状引起的油楔效应项； 砖罢、砖婴表面伸缩效应项； m( z c 历譬、聊i 娑弓贬密度效应项； _ j l 粤、p 矿由流体法向相对运动引起的挤压效应项 1 u 图2 - 5 动压效应 - i 4 第2 章动静压轴承的理论基础 f i g i 玎e2 - 5t h ed 耽to f 奶m 锄i cp r 髓s i l 通常流体动压轴承中所产生的动压来自由流体膜形状引起的油楔效应项。上 图2 _ 5 说明了普通动压滑动轴承的形状特征及其所产生的动压效应。当下表面以 速度u 运动时，沿运动方向的间隙逐渐减小，润滑油从间隙大的地方流向间隙小 的地方，形成收敛间隙。这样就具备了形成流体动压润滑的三要素： ( 1 ) 两表面之间有相对的运动； ( 2 ) 两表面之间有楔形间隙，润滑流体从间隙大端向间隙小端运动； ( 3 ) 两表面之间充有粘性流体，此粘性流体能吸附于两固体表面。 由于速度流动引起的单位长度上的流量，沿运动方向逐渐减少，根据流量连 续条件，产生的压力分布如图2 5 中所示，由此压力引起的压力流动将减少左端 的流入流量，而增加出口一端的流出流量，以保证流过各断面的流量相等。 2 2 3 雷诺方程的简化 雷诺方程( 2 - 1 ) 式为各量都是变量的三维非线性偏微分方程，对它进行积分 求解并非易事。解析法求解存在很多困难，因而需要采取一系列的简化。随着计 算技术的迅速发展，简化形式的重要性，远不如以前重要。但对提高计算速度， 还是有很重要的作用。 根据不同的工作状况，可以采用不同的简化形式。通常的径向滑动轴承设计 采用不可压缩流体的等粘度润滑计算，按照前面所作的一系列假设，即假定润滑 油膜具有相同的粘度，流体的密度为常数，同时认为间隙j 1 只是工的函数而不考 虑安装误差和轴的弯曲变形，可以得出在稳定载荷作用下的流体动压润滑二维 r e y 聃l d s 方程为： 昙( 一3 割+ 鲁( 3 鲁) = a 砌芸一2 矿 c z 啕 对于普通径向滑动轴承， “ 式中 油膜厚度， = i l ( = 6 ( 1 + e c o s 叩) ，8 = r 一，为轴承半径间隙， p 为偏心距，= 6 为偏心率，足，分别为轴承、轴颈半径，9 为 所求油膜厚度处到轴承、轴颈连心线的角度； p 为油膜压力； 叩为流体粘度； 【卜- 为轴颈圆周速度；矿为轴颈中心运动的径向速度； 而r 哆子别为轴颈圆周方向和轴线方向坐标 北京工业大学工学硕士学位论文 方程( 2 2 ) 式中右边第一项为楔形间隙所引起的楔形项，第二项为由轴承中 流体法向相对