（机械制造及其自动化专业论文）油气二相流动静压滑动轴承电主轴承载性能研究.pdf

摘要 摘要 高速电主轴是集精密、高速加工性能于一体的先进高速机床的核心部件，是 先进制造技术中的一个主要发展方向。目前，高速机床电主轴轴承包括滚动轴承、 磁力轴承、静压动静压滑动轴承三种基本类型。滑动轴承与滚动轴承比较，具有 阻尼值高、抗振性能好、主轴回转精度高和寿命长的特点，因此很适合作为高速 机床电主轴轴承。且气体润滑轴承在超高速的场合也得到很好的应用。 本文提出研究油气二相润滑的新型动静压滑动轴承。不同于目前正在广泛应 用的油气润滑技术，这里采用的是所谓“亚油气润滑”，即在压缩空气中均匀地加 入一定颗粒大小的油液，变过去的单相动静压轴承为二相流润滑的动静压轴承。 理论分析认为，这种亚油气二相流润滑的动静压轴承与气体轴承比较，能够获得 高的油膜刚性，大大提高轴承的抗过载能力；同时又能有效发挥油和气的良好润 滑性能，减小摩擦发热；气体的流动性把热量带走，能有效降低轴承工作时的温 升，从而发展出比气体轴承优越的新型轴承，进一步扩展滑动轴承的应用领域。 从油气二相流体的理论出发，分析油气二相流在轴承中的运动状况，流动状 况，建立油气二相流轴承的数学模型。利用通用有限元软件m a r c 中的滑动轴承 模块，结合油气动静压润滑问题，对该模块进行二次开发，求得油气动静压轴承 的动态特性。基于油气动静压轴承的承载性能，进行主轴轴系数学建模，建立有 限元分析模型，借助m a r c 粱单元求解其承载特性，比较动静压轴承与气体静压 轴承的特性，分析油气二相流动静压轴承的优点，以及存在的问题，展望其发展。 为满足主轴在高速运转条件下加载的要求，采用与静态挂重物不同的动态加 载的方式，即通过电磁加载，实现非接触加载方式，突破了传统动态加载的方式。 结合实验室设备一“全支承”结构静压电主轴，进行油气混合状况的试验，探讨 油气混合轴承的承载特性。最后拟合出电主轴的承载能力和动态刚度曲线，并与 理论结果进行比较，分析误差产生的原因。 关键词：油气二相流滑动轴承；有限元；承载能力；刚度 童三兰查兰三兰堡三兰堡里兰 a b s t r a c t h i g h - s p e e dm o t o r j z e ds p i n d 】e s a r ep a r to fa d v a 力c e dm a c h j n i n gt o o l s ，w h j c h i n t e g r a t eb o t hh i 曲p r e c i s i o na n dh i 曲s p e e dm a c h i n i n gp e r f o r m a n c e s t h e r ea r et h r e e k i n d so f b e a r i n g sn o w ， s u c ha sb a l l b e a r i n g s ，m a g n e t i c f o r c e b e a r i n g s a n d h y d r o d y n a m i c - h y d r o s t a t i cs l i d eb e a “n g s c o n t r a s tb e t w e e nt h eg l i d eb e a r i n g sa n dt h e b a l lb e a “n g s ，t h e r ea r em a n yp e c u l i a r i t i e ss u c ha sh i g hd a m p i n g ，g o o dv i b r a t i o n ，h i g h p r e c i s i o nc i r c u m r o t a t ea n d1 0 n gl i f ea n ds oo n t h e ni ti sf i tt oh i g h - s p e e dm o t o r i z e d s p i n d l e s w eb r i n gf o r w a r dan e wi d e ao fo i l - a i rl u b “c a t e dh y d r o d y n a m i c - h y d r o s t a t i c g l i d eb e a r i n g sn o w i t san e wm e t h o da n db ed i f f e r e n tt oa n yo i 】- a i r1 u b “c a t e db e f o r e i tc a ni n t e g r a t eb o t hh i g hs t i m l e s sa n dg o o dl u b r i c a “o nt h o u g ho i l a ir l u b r i c a t i o na s t h e o r y s oi t c a ni m p r o v et h e1 0 a dc a p a c i t y r e d u c eh e a ta n df r i c t i o n s ow ec a ng e t n e wb e a r i n g s i n t e g r a t eb o t hh i g hs p e e da n dh i g hs t i f f h e s s ，w j d e ni t sr a n g eo f a p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fo i l a i rn o w ，t h en o ws i t u a t j o nw a sa n a l y z e da n da m a t h e m a t i c a lm o d u l eo fo i l a i rf l o wb e a “n gb e e ns e tu p s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tw a s c a r “e do u tb yr e l a t i n gt h em e t h o d so fn n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa b o u to i l a i r1 u br i c a t i o n w i t ht h es l i d eb e a r i n ga n a j y s j sm o d u l eo fm a r c ， o n ec u r r e n tf e as o n w a r e ，t h e p r o p e r t i e so fo i l a i r1 u b r i c a t e db e a r i n gw e r es o l v e d b a s e do nt h ep r o p e r t yo fo i l a i r l u b r i c a t e db e a r i n g ，t h em o t o r i z e ds p i n d l ew a sr e d u c e d ，a n di t sf e am o d e lw a ss e tu p m a k i n gu s eo ft h eb e a mc e l li nm a r c ， t h es p i n d l e sd y n a m i c a lp e r f o r m a n c e sw e r e c a l c u l a t e d c o n t r a s ta e r o s t a t i cb e a r i n ga n dt h eh y d r o d y n a m i c h y d r o s t a t i cb e a r i n g s ， v i r t u e 、i n f l u e n c e sa n df u t u r ew e r ea n a l y z e d a st h ep r o p e r t yo fo i l a i r1 u b r i c a t e d b e a r i n g ，an e wm e t h o do fl o a d i n gw a s a p p l j e di nt h ee x p e r i m e n t a t i o n i t sal o a d i n gm e t h o do fd y n a m i ca n du n t o u c h e d a s o ft h ee q u i p m e n to f “f u l ls u p p o r t a e r o s t a t i cm o t o r i z e ds p i n d l e ，t h ee x p e r i m e n t a t i o n o fo i l - a i r1 u b r i c a t e db e a r i n ga n di t sl o a dp r o p e r t yw a sd o n e t h e1 0 a dc a p a c i t ya n d d y n a m i cs t i f f n e s sc u r v e sw e r ep l o t t e d t h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r e c o m p a r e d ， a n ds o m er e a s o n so fe r r o rw e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：o i l a i rl u b r i c a t e d s l i d eb e a r i n g ；n n i t ee l e m e n tm e t h o d ；1 0 a dc a p a c j t y s t i f f n e s s i l 第章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 高速数控加工技术是实现优质、高效、低耗、柔性加工的一项先进制造技 术，高速数控机床是实现高速加工的先进制造装备，高速加工技术以及数控机 床的高速化已成为机械制造业发展的总趋势。在国外，先进制造及其装备技术 目前已进入应用阶段，特别是在航空航天业、汽车制造业和模具制造业等领域 已得到广泛的应用，并取得重大的技术一经济效益。咀高切削速度、高进给速 度、高加工精度为主要特征的高速加工是当代四大先进制造技术之一，是继数 控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。它不仅具有极 高的生产率，而且可显著地提高零件的加工精度和表面质量。高速精密电主轴 作为高速数控加工机床中的心脏部件，其性能的高低直接影响到高速加工机床 的整体发展水平。 高速数控机床的首要关键技术是高速电主轴，其中高速精密轴承是电主轴 的支承核心。目前，高速机床主轴轴承包括滚动轴承、磁力轴承、静压动静压 滑动轴承三种基本类型。由于陶瓷材料具有密度小，热膨胀系数小，弹性模量 大，刚度高等特点，所以采用陶瓷滚动轴承型的内装电主轴技术在高速镗铣床 和加工中心中得到广泛应用，并取得良好的效果。但是我国目前还没有高性能 的陶瓷滚动轴承产品，在研制高速电主轴时还需依赖进口。磁力轴承高速性能 很好，但由于控制系统复杂，加上价格昂贵，目前还难以推广。滑动轴承与滚 动轴承比较，具有阻尼值高、抗振性能好、主轴回转精度高和寿命长的特点， 因此也很适合作为高速电主轴轴承。瑞士i b a g 公司就推出了液体静压轴承的 电主轴，美国i n g e r s o l l 公司推出了液体动静压轴承的电主轴 1 。我国在滑动轴 承特别是动静压轴承方面有长期的研究和应用基础，这种轴承制造工艺较为简 单，加上其优怠的性能，很适合我国的国情，因此正在被广泛推广应用【2 1 。 滑动轴承有气体润滑轴承或液体润滑轴承二大类。气体润滑轴承的摩擦力 很小，适合高速甚至超高速的的工况条件，但气膜刚性低，承载能力差；液体 广东工业大学工学硕士学位论文 润滑轴承油膜刚性和承载能力要大得多，但其严重的摩擦发热则极大的限制了 轴承转速的提高。正是由于润滑介质受到上述诸多因素的限制，想再进一步提 高这种单一介质润滑轴承的性能已经非常困难。 本文提出研究一种新型介质油气二相流润滑的新型动静压轴承。油气二相流 体润滑是一种新型的润滑技术，它综合了气体、液体两种流体的特点。油气二相 流体中润滑油与气体牢固地形成油气二相膜，共同起到冷却与润滑的作用，从而 获得较高的油膜刚性和阻尼系数，又能有效发挥油和气的良好润滑性能，减小摩 擦发热，利用气体的流动性把热量带走。不同于目前正在广泛应用的油气润滑技 术，这里采用的是所谓“亚油气润滑”，即在压缩空气中均匀地加入一定颗粒大小 的油液，变过去的单相动静压轴承为二相流润滑的动静压轴承。 理论分析认为，油。i 二相流体润滑与单相流体润滑相比，具有承载能力高， 适于宽广的速度范围，具有良好的降噪性能、节油、节能、效率高、寿命长等优 点。本论文旨在结合滑动轴承的工作特点和油气二相流体润滑的技术要求，试图 从理论上和实验上探讨研究这种新型润滑技术。通过资料检索显示，没有找到对 这种亚油气二相流润滑的动静压轴承的研究信息，因此本研究工作具有一定的创 新性和较强的现实意义。 1 2 不同轴承的电主轴及其特点 高速精密电主轴是一种直接依赖于高速轴承技术、油气润滑技术、精密制造 与装配技术、电机设计与制造、高速驱动与精密数控等技术的高度机电一体化的 高科技产品。特点在于将电机的功能与机床主轴功能从结构上融为一体，省去了 复杂的中间传动环节，具有调速范围宽、转动惯量小、可快速起动和停车、易于 实现无级调速和精密控制等优点。高速精密电主轴的d m n 值通常在6 0 万 m m r m i n 以上，主轴回转精度为微米级或更高。 不可否认，当前电主轴中应用最多的是滚动轴承，尤其是近期发展起的陶瓷 轴承技术极大地提高了滚动轴承的性能，使之应用更加广泛。但滚动轴承毕竟是 接触支承，这就从根本上决定了其自身无法避免的瘤疾一磨损。磨损一方面缩短 轴承寿命，重要的还有摩擦产生大量热量，影响支承精度，限制速度增加，进而 加剧轴承失效，当然机械摩擦产生的噪音也不容忽视。充分肯定在常规和一般高 第一章绪论 速机床切削中，滚动轴承特别是混合陶瓷轴承能够克服上述缺陷，在实际生产中 发挥其优良特性，但在高速精密切削机床上就勉为其难了。超高速下滚动轴承不 足很快突现，滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，其所造成的动载 荷常常超过机床的切削负荷，也限制了它在高速精密机床上的应用。 液体动静压轴承的研究一直为国内外电主轴公司所重视。液体动静压轴承作 为电主轴轴承来实现高速化，其技术难点是轴承温升及热变形控制技术。随着转 速升高，润滑剪切效应和紊流效应导致轴承温升增大，从而使轴承摩擦功耗增大， 使电机耗费掉相当的无功功率。同时轴承温升引起热变形会影响轴承的动平衡， 并影响润滑油的粘度和轴承的配合间隙，从而对轴承性能产生明显的影响。因此 需要轴承热变形小，轴承内温度梯度小，轴承与轴的热变形一致。 气体静压轴承最突出的优点是高速、精密和低摩擦。目前印刷电路板钻削电 主轴转速可达2 5 0 ，o o o r m 。由于制造精度高加上气膜的均化作用，气体静压轴 承主轴回转精度已达到o 0 2 5 o 0 5 m 。此外，因为气体静压轴承避免了滚动轴承 的接触摩擦、磨损，液体静压轴承因液体粘度大导致的大量摩擦热。而且气体本 身是良好的冷却剂，大量的气体进入轴承后经过热量交换，携带大量的热排入大 气中，很方便地完成冷却循环。气体静压电主轴具有动特性良好、精度寿命长、 不产生振动、刚性载荷量具有与使用条件相称等优点，从而广泛应用于高速、轻 载、精密和超精密加工的场合1 3 】- 【”。 典型的气体静压电主轴结构如图1 1 所示，该电主轴采用电动机内置，径向 气体轴承两端支承，气体止推轴承轴向支承的结构形式。其中，径向轴承采用双 排节流器，止推轴承在主轴的前部，将止推轴承置于电主轴前部是为了消除转轴 因热膨胀引起的夹头位置变化。为了降低电机发热带来的不利影响，在定子外部 壳体上布置有冷却水套，工作时通以循环冷却水降温。此外，该电主轴还需要一 套供气装置，专门提供规定压力的洁净气体，装置主要有空气压缩机和空气过滤 器等组成。 在这里我将利用上述气体静压轴承来完成我们的实验，由于制造时出现气体 间隙偏大，耗气量偏大，以及节流器直径大小是o 3 m m 等等条件，但是非常适合 于本实验。 ： 三查三些奎耋三兰堡圭兰堡丝兰 埋 誓沁沁测 闷忒沁沁浏i 除心蕊沁淖蒸崭甥荔劝磬瀚 烈铡沥蚓搋蒯物编栩，符 卅 髟形彭纫 j 彭形刎 慝 二。薷鞘磐粉耘卿爨薷徵翮l | ，娃些必i 溯 霾鎏渊 闷l 闷l 黑心慧鬈燃n 髟牡黝 1 主轴2 前端盖3 前止摧轴承4 - 定位环5 一壳体6 - 径向及止推轴承7 一冷却水套8 - 电机定子9 一电 机转子1 0 一后径向轴承】1 后端盖 图1 1 气体静压电主轴结构示意图 f i g1 1c o n 行g u r a t i o no f a e r o s t a t i cm o t o r i z e ds p i n d l e 亚油气润滑电主轴是本文提出的一种新型润滑形式的电主轴。利用类似油雾 发生装置产生亚油气混合物，使压缩气体里含有油颗粒，通过采用各种粘度的润 滑油品，改变油颗粒大小，改变油颗粒与气体的混合比等参数，都可获得不同的 润滑性能。它综合了气体、液体两种流体的特点。在轴承内部润滑油与气体牢固 地形成油气二相膜，共同起到冷却与润滑的作用，从而获得较高的油膜刚性和阻 尼系数，又能有效发挥油和气的良好润滑性能，减小摩擦发热，利用气体的流动 性把热量带走。 1 3 国内外油气二相流润滑的研究现状 根据查阅资料得知，目前没有查阅到应用油气二相流润滑动静压轴承的相关 研究内容，但却能找到国内外早就有人有意在油液加入空气气泡，而开展的相关 研究工作，并且取得了一些定性的结果，但由于各方面的原因，使得结果相差较 远。 1 3 1 国外研究情况 自从5 0 年代c o l e 和h u g h e 在实验室中首次发现当滑动轴承存在气泡而对轴 承产生影响以来，有关气油两相流对滑动轴承性能影响的研究就一直在进行，这 第一章绪论 里介绍几个有代表性的工作 8 1 ： t 0 n d e r 在1 9 7 5 年和1 9 7 7 年的两项理论研究中，采用密度模型： p 2 n 1 + 咒7 ( 巧p ) 1 ，粘度模型仉= ，得出结论：气泡的混入使油膜承载能力 增加1 0 2 0 ，压力中心位置向出口处偏移，油膜的形状越陡峭则影响越明显， 润滑油的流量增大，散热加强。 1 9 8 3 年波兰人j a n k i c i n s k i 在研究中采用粘度模型2 ( 1 一o 0 1 卢) i 密度模 型：p 2 岛户( 1 + 4 ) ( j d + 4 异) ，在进行理论计算后得出结论：由于气泡的混入， 一定程度上改变了压力分布，随含气量增大，压力峰值下降，压力中心偏移，承 载能力下降。 1 9 9 4 年，a l b e r 应用e i n s t e i n 的理论粘度模型理论进行理论研究，得出结论： 气泡混入使压力中心偏移，承载增大。 此外。日本人k a w a s e 和s o m e y a ，加拿大人k h a l i l 和r h o d e s 等也在这一领 域进行了研究，使用粘度模型不一，得出的结论不尽一致。 1 3 2 国内研究情况 国内关于油气二相流润滑动静压轴承应用方面的研究尚未见献，都是气油两 相流对滑动轴承性能影响一些理论方面和试验性的研究，主要有： 哈尔滨工业大学教授闫通海通过实验研究认为，在气液两相油气流中，液体 与气体牢固地形成了气液两相膜。试验及实践结果表明，气液两相膜与单相液体 膜相比，承载能力大大提高，气液两相膜的形成兼有流体动压和流体静压的双重 作用。 1 9 9 1 年，西安交大宋恩杰，朱均在研究中采用h a y w a t d 的粘度模型，对径向 滑动轴承的润滑问题进行了数值计算，得出结论：承载能力随含气率的增大而增 大，压力峰值偏移，摩擦阻力增大。随含气率的增大，轴承的当量刚度增大，稳 定性随含气率的增大而提高。 国内开展油气二相流研究还有浙江大学机械系安琦及其工作组，在国家自然 科学基金的支持下，也进行了这方面的实验研究工作，并且自行研制了相应的一 广东工业大学工学硕士学位论文 些测试装置，在气油两相流粘度特性方面取得了一定的成果。北京化工大学张有 忱教授及学生王兴利也进行过这方面的研究 9 。 从以上的研究结果来看，绝大多数研究结论都倾向于认为气液两相流体润滑 对于滑动轴承性能影响是有益的。下面以带有静动挤压油膜轴承的高速刚性对称 转子系统为例，通过计算轴承的当量刚度系数和当量阻尼系数可见，随空气含量 率增加，轴承中两相润滑膜的压力峰值有所降低，压力中心的位置趋向前移。在 通常的偏心率下，如偏心率= 0 5 左右时，随空气含气量所引起的上述轴承性能 的相对变化显得较弱。显然，由于空气含量使润滑膜相对阻尼增加和相对刚性减 少，带来了转子轴在系统的振动峰值降低，以及不稳定跳跃区域紧缩。这对要求 过临界运行的高速转子轴承系统，无疑是有益的。 1 4 本课题的来源及主要研究内容 1 4 1 课题的来源 广东省科技攻关项目“高速大功率主轴单元的关键技术及其产业化研究” 编号：2 0 0 2 c 1 0 2 0 2 0 5 1 4 2 课题主要研究内容 分析研究油气二相流动静压滑动轴承电主轴的承载性能，具体内容包括： 1 建立径向油气二相流动静压滑动轴承的计算模型。通过若干假设将复杂的 三维流场简化为二维定常流场，导出轴承压力场的描述方程。 2 建立油气二相流动静压滑动轴承静态压力场的有限元分析模型，计算动态 特性指标。研究用有限元方法求解轴承油气膜压力分布的具体途径和步骤，求出 轴承的动态承载力缈、刚度胁，。将所得轴承计算结果代入电主轴轴系中，求 解轴系的承载能力与刚度赫。 3 研制电磁非接触加载装置。通过电磁力特性计算，蹬计出适合本实验的电 磁加载装置，然后采用本课题研制的电磁力标定装置进行标定工作，得出电磁力 与电流的关系。 4 开展实验研究工作。针对理论研究的结果，在专用的实验台上进行实测， 通过对油气二相流动静压电主轴载荷一位移的测量，用来验证一j ：述计算分析结果， 第一章绪论 讨论误差产生的原因并得出初步结论。 5 提出油气二相流动动静压滑动轴承的优点和缺点，对比气体滑动轴承的性 能，预测油气二相流动静压滑动轴承电主轴的发展前景。 广东工业太学工学硕：f ：学位论文 第二章油气二相流润滑技术简介及亚油气润滑装置 2 1 油气二相流润滑技术 近年来，油气二相流润滑技术在许多行业得到越来越广泛的应用，显示出十 分优越的综合特性。在轴承润滑方面，目前主要有油雾润滑技术和油气润滑技术。 然而油气两相流体润滑技术目前多用于滚动轴承的润滑与冷却，在滑动轴承中应 用的研究国内尚未进行，国外亦刚刚起步。 2 1 1 油雾润滑技术 ( 1 ) 油雾润滑概述 油雾润滑是较早发展起来的一种新型高效能的二相流润滑方式。油雾润滑装 置以压缩空气作为动力，使油液雾化，即产生一种像烟雾一样的，粒度在5 微米 以下的干燥油雾，然后经管道油雾和空气被输送到润滑部位。工作后的空气及部 分微小的油雾粒子，经过密封缝隙，或专设的排气孔排至大气。 油雾润滑主要应用于封闭的齿轮、蜗轮、链条、滑板、导轨以及各种轴承的 润滑。在冶金企、【p 中，油雾润滑装置用于大型、高速、重载的滚动轴承较为普遍( 如 偏八辊冷轧机的支承辊轴承) 。大量的实践经验和关于这一方面的研究表明，油雾 润滑能大大减少由润滑问题所引起的机械摩擦部位的损坏，以滚动轴承为例，在 某些工况下，油雾润滑可使轴承损坏率减少达8 0 ，通常减少达5 0 。 但油雾润滑的滑动轴承较少见到技术资料报道。 ( 2 ) 油雾润滑原理 油雾润滑是利用油气二相流体混合成的雾状射流喷射到润滑区，通过形成的 气液“两相膜”隔开相对运动的表面，起到有效的润滑作用。而速度较高的气液 两相流体射流还可以带走大量摩擦热，又起到了冷却降温作用。 ( 3 ) 油雾润滑特点 油雾润滑与其它润滑方式比较，具有许多独特的优点，如： 1 、油雾能随压缩空气弥散到的所有需要润滑的摩擦部位，可以获得良好而均 匀的润滑效果。 第二苹油气二相流润滑技术简介及皿油气润滑装置 2 、压缩空气比热小、流速高，很容易带走摩擦所产生的热量，从而大大降低 了摩擦副的工作温度。对于高速滚动轴承，可提高极限转速和延长寿命。据有关 资料介绍，采用油雾润滑的滚动轴承，平均可提高寿命约4 0 。 3 、大幅度降低了润滑油的耗量。在一般稀油润滑系统中，为降低摩擦副的：i 二 作温度，唯一的方法是供给大量的油液来吸收这种摩擦热。然而油液的漏损是难 以避免的，不但造成润滑油的浪费，也污染周围环境，甚至引起事故。若采用油 雾润滑，只要供给的极少油量就能满足润滑。冷却的作用完全由压缩空气来承担。 4 、较稀油循环润滑系统结构简单轻巧，占地面积小，动力消耗低，维护管理 方便，易于实现自动控制，成本低。 5 、由于油雾具有一定压力，因此可以起到良好的密封作用，避免了外界的杂 质、水分等侵入摩擦副。例如冷轧带钢轧机，使用乳化液进行工艺润滑时，轧辊 轴采用油雾润滑，可以有效地防止乳液渗入轴承箱腐蚀轴承。 ( 4 ) 油雾润滑的缺点 油雾润滑也存在一些缺点，选用时应注意： 1 、在排出的压缩空气中，含有少量的浮悬油粒，污染环境，对操作人员健康 不利，所以需要增设抽风排雾装置。 2 、不宜用在电机轴承上。因为油雾侵入电机绕组将会降低绝缘性能，缩短电 机使用寿命。 3 、油雾的输送距离不宜太长，一般在3 0 米以内较为可靠，最长不得超过8 0 米。 4 、必须具备一套压缩空气系统。 9 1 2 1 2 油气润滑技术 ( 1 ) 油气润滑概述 油气润滑也是油气二相流润滑技术的典型应用，它通过形成的油气二相膜隔 开相对运动的摩擦面从而起到润滑作用，同时由于含有大量的气体，速度较高的 油气二相油气流还可以带走大量摩擦热，又起到了冷却降温作用。并且在油气两 相油气流中，液体与气体牢固地形成了油气二相膜。油气二相膜与单相气膜相比， 承载能力大大提高，油气二相膜的形成兼有流体动压和流体静压的双重作用。 广东工业大学工学硕士学位论文 油气润滑的应用非常广泛，尤其是开式齿轮、蜗轮、滑动面、机车轮缘与轨 道、链条，以及金属切削中等领域，得到了广泛应用。在高速滚动轴承电主轴和 大型轧机滑动轴承使用效果非常显著。 但油气润滑的滑动轴承未见于技术资料报道。 ( 2 ) 油气润滑的原理 与油雾润滑不同的是，油气润滑没有将油液进行雾化处理，而是利用压缩空 气使微量的润滑油沿输送管道壁向前蠕动，分别连续不断地、精确地供给每个润 滑点，微小油滴在润滑部位形成动压油膜，而压缩空气则带走轴承运转所产生的 部分热量。油气润滑系统中，油和气混合装置工作原理如图2 1 所示。每隔一定 时间( 可澜) 由定量柱塞泵分配器定量输出的微量润滑油( o 0 1 o 0 6 m 1 ) ，在混合阀 中与压缩空气混和后，经内径2 4m m 的尼龙管输出油气。 压缩空气 轴承 l ，一 | 璺| 2 一l 油一气润滑系统不意图 f i g 2 一l 0 i l a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m ( 3 ) 油气润滑特点 油气润滑系统克服了油雾润滑及油腊润滑的缺点，具有如下众多的优点： a 、可以根据实际需要选择润滑点数和各润滑点所需要的油量，并节约润滑剂。 因为油雾可以任意扩散，几乎不可能对单个轴承定量供油，而油脂润滑的一次加 脂根本谈不上定量供应。而油气润滑的油则以微滴形式进入轴承，所以润滑点数 第二章油气二相流润滑技术简介及皿油气润滑装置 可以在油路设计时任意控制，各润滑点的油量可以通过油气装置定时、定量单独 供应，这样就易于实现按需供应，避免浪费，因而油的用量只占油雾润滑的1 1 0 。 b 、油气润滑可保持轴承承载部位的摩擦点总有新鲜的润滑剂，而油脂润滑的 油脂有一定的使用周期，在前期润滑油较多，易搅动发热，到后期则不足，形不 成良好的润滑条件，由于补充油脂时操作繁琐，在实际应用中大多是一次性加脂 直到轴承更换为止。 c 、油气润滑可使轴承温升减小，因而可使主轴轴承d m r n 值更高。试验证明， 在相同的转速下，同一型号、同样工况的主轴轴承使用油气润滑可以比油雾润滑 外圈温升降低9 1 6 ；若保持轴承外圈温升相同，则油气润滑可使轴承速度因 数提高2 5 以上。 d 、油气润滑对环境无污染或少污染。由于“油+ 气”通过轴承之后排出的基 本是压缩空气，本身不含油品或含油量极少，较之油雾涧滑，更利于操作者健康。 e 、由于轴承内部不断有新鲜润滑油补充和新鲜空气流出，外来杂质很难进入， 内部污物也易排出，因而可以提高轴承的使用寿命。 ( 4 ) 油气润滑缺点 早期的油气润滑系统，尤其是润滑点少量的场合，一般采用“点对点”的方 式，即递进式分配器的每一个出口输出的油量只供给一个润滑点。但是在润滑点 很多的场合，如连铸机组往往有上千个甚至几千个润滑点，如果每一个点都要有 一个活塞来供油，上千个点就意味着一千多个活塞，而活塞是一种运动部件，大 量采用活塞肯定会降低系统运行的可靠性和稳定性，同时增大供油泵的负荷，有 时甚至得为此增加一套供油泵，即需采用两套系统才能稳定地向一千个润滑点提 供润滑。这样就会增加系统的投资成本和运行成本。在r e b s 发明了t u r b o l u b 油气分配器之后，虽然从某些部分解决了多点润滑的问题，但是系统复杂，体积 庞大，价格昂贵等方面的问题i 。 2 1 3 亚油气润滑技术 亚油气润滑技术是本文提出的一个新型润滑方式，它介于油气润滑技术和油 雾润滑技术之间，不完全是油气润滑，也不完全是油雾润滑，但特点和以上两者 相似。亚油气润滑是利用油雾发生器原理，形成的油气二相混合物状态间于油气 广东工业大学工学硕士学位论文 和油雾之间，通向润滑点的一种润滑方式。 由于滑动轴承的润滑点多，不可能像传统意义的油气润滑，产生那么多的润 滑点，采用点对点的润滑方式。但与油雾润滑不同的是，其油颗粒的大小要大得 多，尺寸达到0 0 5 o 1 m m 左右。由于油颗粒尺寸较大，容易在狭小的缝隙处聚 集，从而在轴承动压面处形成压力油膜，起到油膜润滑的作用。 之前有人研究过滑动轴承的气油润滑，但是在这些研究当中，都是油里含有 少量气体的情况，主要也是考虑气泡对整个轴承性能影响方面的研究。润滑油中 含有气泡在传统看来是非常忌讳的，因为在轴承内部容易产生气穴、气爆等现象， 并且这些现象对滑动轴承都是有害的。 本亚油气润滑动静压轴承的研究，是采用在气体里面含有少量润滑油的油气 润滑方式，这是一种全新滑动轴承润滑方式。它可以避免上面所说的气穴、气爆 等不良现象，并且充分发挥油气润滑的优点。 2 2 亚油气润滑装置 2 21 现有油气润滑装置的不足 本实验是采用气体静压轴承电主轴来进行试验，且滑动轴承被包在电主轴外 壳里面，不可能给每个润滑点通油气进行润滑。 a ) 此电主轴总共有9 6 节流器，根据油气润滑的原理，油是和气体互相独立， 在一条长长的管道当中，油沿着管道壁，在气体的带动作用下一起通到润滑点， 这样每个节流器就需要一根油气管，我们就需要9 6 根油气管来给电主轴供油气润 滑。 b ) 滑动轴承全部被包在电主轴外壳里面，整个电主轴只有一个进气管，而 根据油气润滑的原理，每根油气管是必须直接连接到节流器上的。因此电主轴不 可能使用油气润滑。 c ) 油雾润滑可以解决上面所述二相流体的输送问题，但是采用油雾润滑时油 气混合体中油量非常少，油的颗粒也很小，在轴承内部不易形成足够的油气压力 膜。 因此我们要解决以上问题，并能实现动静压滑动轴承的油气二相流润滑，充 第二章油气二相流润滑技术简介及油气润滑装置 分体现油气润滑的优点，我们就很有必要研究一种亚油气润滑装置。 2 2 2 油雾器的原理及其结构 油雾器是把油雾化分散在高压空气里面，形成油气混合体通向电主轴。 1 - 喷嘴；2 - 钢球；3 弹簧；4 阀座；5 存油杯；6 吸油管；7 单向阀； 8 仃流阀；9 一视油器：1 0 、1 2 密封垫；1 1 油塞；13 螺母、螺钉 图2 2 油雾器结梅图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo fo i l m i s t1 u b r i c a t e de q u i p m e n t 油雾器是以压缩空气为动力的注油装置，它的工作原理与金属割枪类似( 通 广东工业大学工学硕一卜学位论文 过空气压力克服弹簧把液体油推向控制阀上) ，流经油雾器的压缩空气产生负压吸 油，并使油雾化，然后带着雾化的油向前流动注入气动设备内。管道里不使用空 气时，油不流动。它的主要性能参数有：流量、油雾的粒径。 如图2 2 是典型油雾器的结构 1 0 。当压缩空气从输入口进入后，通过喷嘴1 下端的小孔进入阀座4 的腔室内，在截止阀的钢球2 上下表面形成差压。由于泄 漏和弹簧3 的作用，钢球处于中间位置，压缩空气进入存油杯5 的上腔，油面受 压，压力油经吸油管6 将单向阀7 的钢球顶起，钢球上部管道有一个方型小孔， 钢球不能将上部管道封死，压力油不断流入视油器9 内，再滴入喷嘴l 中，被主 管气流从上面的小孔引射出来，雾化后从输出口输出。节流阀8 可以调节油量， 使油滴量在每分钟o 1 2 0 滴内变化。 2 2 3 改油雾器变亚油气发生器措施 我们的目的就是利用油雾器的工作原理以及其基本结构，通过改进变成亚油 气发生装置，产生雾粒大小为5 0um 左右，甚至更大，形成油和气混合均匀，且 运动状态相同的油气二相流体混合体。同时混合物中油的含量也比油雾中油含量 更大，并且可以调节控制。 我们司以通过油雾器的结构得出启发，改进其结构来达到我们的要求。 1 、通过使用可产生油滴的凝缩嘴，将干油雾转化成润滑油滴，使得油雾粒 径5 0u m 或更大，进行润滑。 2 、增大油管6 ，同时减小单向阀7 工作压力，使节流阀8 能够调节油的输出 油量增大。 2 3 本章小结 分析了油气二相流润滑的种类，各自的现状、特点、以及在轴承中的应用情 况。提出亚油气润滑的新型润滑方式，并且研究能配合进行亚油气润滑的装置。 第三章油气二相流滑动轴承润滑数学模型 第三章油气二相流滑动轴承润滑数学模型 油气二相流中的两项介质都有各自的流动参数，如速度、加强、密度、温度 等。由于他们一起流动，相间有相互作用和质量、重量、能量的交换，自然应有 表征二混合物特性的流动参数。 目前关于油气二相流对滑动轴承性能影响的研究中，各种研究结论差距较大， 说明该领域的研究仍不成熟。而形成这一局面的一个重要原因，是由于目前关于 油气二相流粘度特性的研究尚未完善。经长期摸索之后，尽管大家趋向于用实验 的方法研究油气二相流粘度特性，但由于油气二相流实验上的复杂性使得研究工 作较为困难，各种粘度模型差别较大而导致了结论相去较远。 为了解决该领域所面临的困难，需要彻底再清油气二相流粘度特性究竟遵守 什么样的模型关系，为此要根据油气二相流的特点建立新型实用的实验方法，提 高实验精度，找出为大家所公认的粘度特性模型，在此基础上再进行滑动轴承的 两相流润滑研究。国际上关于滑动轴承两相流润滑研究大都集中于理论计算研究， 而未进行相应的实验验证。 综上所述，应该建立油气二相流工况下的滑动轴承实验装置，对理论研究的 结果进行实验验证。只有这样才能从根本上完成油气二相流对滑动轴承性能影响 的研究这课题，从而为应用于工程实际创造条件。】 3 1 油气二相流润滑滑动轴承模型 油气二相流润滑动静压滑动轴承结构模型如图3 1 所示，油气二相流体的流 动状况类似于气体静压轴承中气体的流动状况，油气混合体从节流器进入滑动轴 承内部，沿节流器的两侧流动。随着流体不断的向轴承的两侧运动，压力也逐渐 减小，最终进入大气时，压力与大气压相等。油粒在细小的间隙处聚集，当主轴 静止时，两表面自然形成一收敛的楔形空问。主轴逐渐旋转起来，主轴轴径表面 的圆周速度增大，被主轴带入楔形的油气形成油气压力膜，产生一定的动压力支 撑主轴，主轴达到稳定时，轴径便稳定在一定偏心上，产生的动压力与外载荷相 广东工业大学工学碗士学位论文 平衡，即动压效应挖j 。其压力分布分析情况见第四章。 p s s p s 图3 1 动静压滑动轴承模型 f 嘻3 - l t h em o d e lo f h y d r o d y n a m i c - h y d r o s t a t i cs l i d eb e a r i n g 3 ，2 油气二相流粘度模型 通过实验所建立的油气二相流粘度模型一般表达式为1 ： 矾仇2 1 + ( d 。6 7 一o - 0 1 ) ( 3 1 ) 式中：a 、b 均为小于1 o 的常数，当剪切率y 大丁：l o o os 1 时，上式可以近 似写作： 仉5 1 0 0 1 ( 3 2 ) 对于一般高速滑动轴承来说，y 总是在大于l 0 0 0s 。下工作的，所以在研究 油气二相流对滑动轴承油膜刚度的影响时，就略去了y 对粘度的影响。但考虑到 油气- 相流体的可压缩性，故上式可以写作： 仉2 】_ o 川( _ p ) ( 3 3 ) 根据等温气体状态议程p v = p o v o ，又可近似写作： 巩2 1 一o 0 1 昂p ( 3 4 ) 兰三兰塑兰三垫鎏尘垫! ! 量塑堡兰兰堡兰 3 3 油气二相流等效密度的模型 气体是可压缩的，而纯净的润滑油通常被看作是不可压缩的，当气体和油混 合后形成二相流体，其压缩性也是很大。则在把油气二相流分开考虑的基础上， 运用理想气体状态方式，并考虑温度变化的影响，得出关系式【“ ： l p 。辟而丽而葡 ( 3 5 ) 式中：d 一两相流密度； pl 一纯油密度； v o 一初始态气体体积； p n 一标准大气压； t o 一初始温度； t 一终态温度； p 一终态压力。 或者我们也可以从实际气体出发，油气二相由气体和油粒两部分组成，并考 虑不同压力油气混合体中气体和油的比例不等，得出【1 4 】： ( 4 一p ) ( m + ) ，( 乃一，) ，川 p = 1 厂弋可一 1 b 。( 风一尸) 1 他( 一一p ) i m + 17 l 压_ 1 j l 7 “岛 式中： 爿：孥h + 昂 v ， ” 肚粉【m ，) n h e n r y 常数； k 一纯热系数； & o 一初始气体密度； 。一空气初始摩尔数 一润滑油摩尔数； ( 3 6 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 0 一蒸汽压力； m 一一空气分子量： 蝎 一纯油分子量。 3 4 变形雷诺方程和其解析法 在将雷诺方程式应用于滑动轴承的理论计算时，均进行过一系列的假设，油 气二相流与牛顿流体的物理属性有较大的不同，为此引入以下几项新假设： a 、油粒的尺寸相对较小，且均匀分析于气相中： b 、油与气相保持严格同速，无相对滑动； c 、油相和气相间一直处于热力学平衡状态： d 、轴承间隙中的润滑油按某一平均温度作等温处理。 对于径向滑动轴承，雷诺方程的完整形式可以表示如下1 ”： 旦f 丛竺 + 旦f 丛竺 ：6 u 盟盟+ 6 砷型+ 1 2 a x 7 ja x ) z qa zj 戳 j 8 x j ( 31 ) 在以上假设的基础上，可以把油气二相流近似视为具有单一特性的流体，密 度和粘度均为压力的函数，并假定流体仍然处于层流状态，则变形雷诺方程为： 去l 弓筹嚣l + 昙l 雩筹笔l = s u 堕掣+ a p ( p ) 一罢p ( p ) y 硝l 叩( p ) 蠲l 。a z l7 ( p ) a zl 叫”甜 ( 3 8 ) 转换圆柱坐标形式： 南l 弓筹篆壶弓筹篆| = e 昕南 p ( p 纠+ s p ( ，) 一+ z p ( p ) ，2 y驯_ ( 尸) 却ra z l 玎( | p ) 泌lo 妒r r 。”。 h ：鱼，：掣吁：型 c p i q o p 一 = p ， 系 z 一上 ： 关 ；i 系 纲 ： 关 量 度 无 密 入 入 7 了 p ：卫 p 七8 r | t 1p + p ( 3 1 0 ) 粘度关系式可以写作无量纲形式： 町= 1 + o _ o l p ( 3 1 1 ) 得到油气二相流润滑工况下存在涡动时的变形雷诺方程： 亳 等豺等刍降别= 等南c 删+ 等等+ 鲁旷 a 妒l 叩却j ra z 【叩a zl 1 2p 0 面垆力广百丽+ 育p ( 3 1 2 ) 掣：。墼：6 孥：鱼2 0 1 一一 ，：广2 毋 令r ： c 岛 ：c 2 风 1 代入上式并整理得下式： 譬窘+ 胡焉筹+ 品( 字) 嚣十础3 昙 詈) 老 瑚毒一叫忡筹咖r 由于涡动的存在，引入下列关系 u = 刑十e s i n 妒一带c o s 9 罢钏唧埘s i n 妒 口口 矿= e c o s p + p 口s i n p = 工s i n 臼+ y c o s 臼 f 伊= 工c o s 目一ys i n 9 代入式中后可得： 等筹+ 州鸶筹+ 毒( 字 嚣+ 删3 老污) 篆 = 6 h 嚣一6 腰s i n 妒+ ( 岛，+ 岛户) 陋啪+ 胂s 口) c o s 伊+ 阳。分川枷) 。却 1 9 ( 3 1 4 ) 孥 童三些查耋三兰至兰兰堡竺奎 一 这是一个二阶非线性微分方程，可以写作如下简化形式： 4 筹枷筹+ c 篆+ 。笔。， 采用中心差分的离散方法，上式经整理后得方程组： p ! ；= d p 材+ d 鄙堂。+ 圆# ? 1 + d 嘲g j + g b式中系数a 、b 、c 、d 、e 及d n 、d s 、d e 、d w 均以前次迭代的鼻计算出来。采用待