（机械设计及理论专业论文）专用磨床静压支承系统分析与仿真.pdf

摘要 本文以专用修复磨床的静压支承系统为研究对象，在充分了解国内外液体静 压技术基础上，根据计算流体力学和数值计算方法等多学科知识，通过详细的理 论分析，对专用磨床液体静压轴承的基本结构进行设计计算，并针对静压轴承内 部油膜的承载能力及刚度进行深入的研究，得出了能够满足加工要求的静压支承 设计参数。 本文主要包括以下几部分内容： 1 综合论述了液体静压支承的特点及研究意义，国内外静压技术的发展应 用的历史及现状；介绍了本文的研究目的、内容和主要工作。 2 根据液体静压轴承的构造及特点，对液体静压轴承进行设计。专用修复 磨床的静压支承系统一般在低速重载下工作，根据这个特点，对静压轴承的供油 方式、回油槽、轴承材料、润滑油进行选择，通过计算得到液体静压轴承应用在 低速重载下的最佳参数。 3 针对直接影响静压支承系统承载能力的油膜进行特性分析，通过静态特 性分析，得出油膜的承载能力及刚度，并推导出无穷大刚度条件；通过动态特性 的分析，得出了影响动态稳定性的参数，对相关参数的选择提供有力的依据。 4 基于流体力学的基本理论，建立了液体静压轴承油膜的数学模型，并应 用流体分析软件f l u e n t 对理论计算结果进行仿真分析，将仿真结果与理论计算 结果相比较，得到的仿真结果与理论结果基本吻合，验证了理论分析的正确性， 仿真结果对实际生产有一定的指导意义。 关键词：液体静压支承；低速重载；油膜承载能力及刚度；f l u e n t 仿真 a b s t r a c t t h eh y d r o s t a t i cb e a r i n go fl a r g e s c a l er o t o rg r i n d e r r e p a i rp a r t si st h ei m p o r t a n tp a r ti nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ef u l l yu n d e r s t a n d i n gh y d r o s t a t i ct e c h n o l o g 。ya th o m ea n da b r o a da n dd e e p l ya n a l y z i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sr e l a t e dl i t e r a t u r ea n dt h e o r y , a c c o r d i n gt oc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sa n dn u m e r - i c a lm e t h o dm u l t i - d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e ，t h r o u g ht h ed e t a i l e dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，a i m e da tt h ed e s i g na n dc a l c u l a t i o no fh y d r o s t a t i cb e a r i n go nt h eb a s i cs t r 。u c t u r ea n dd e e p l ys t u d ya tt h eo i lf i l mo fh y d r o s t a t i cb e a r i n gw i t h i nt h ec a r r y - i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s s ，o b t a i n e da b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh y d r o s t a t i - c b e a r i n gd e s i g np a r a m e t e r s t h j sa r t i c l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 c o m p r e h e n s i v ed i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds i g n i f i c a n c eo fh y d r o s t a t i e b e a r i n g ，a th o m ea n da b r o a dh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fh y d r o s t a t i cb e a r i n gt e c h n o l o g y ；t h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ep r e s e n t e d ，t o o 2 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o s t a t i cb e a r i n g f o r d e s i g n i n gt h eh y d r o s t a t i cb e a r i n g h y d r o s t a t i cb e a r i n gs y s t e mo fd e d i c a t e dr e p a i r - g r i n d e rm a c h i n ew o r k sa tl o w - s p e e dh e a v y l o a d s ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c ， c h o i c et h ew a yo fg e t t i n go i l ，b a c kt ot a n k ，b e a r i n gm a t e r i a l s ，l u b r i c a t i n go i l ，t h r o u g h c o m p u t a t e dt og e tm eb e s tp a r a m e t e r so fh y d r o s t a t i cb e a t i n gw o r k e da tl o w - s p e e d h e a v y - l o a d s 3 i nc o n n e c t i o nw i t ho i lf i l mo fi n f l h e n c et h eh y d r o s t a t i cb e a r i n gb e a r1 0 a d c a p a c i t yt og e ta n a l y s i s t h r o u g hs t a t i ca n a l y s i s ，o b t a i no i lf i l mc a r r y i n gc a p a c i t ya n d s t i f f n e s se x p r e s s i o n ，d e r i v e dt h ec o n d i t i o n so fi n f i n i t e s t i f f n e s s ；d y n a m i ca n a l y s i s o b t a i np a r a m e t e r sa f f e c tt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a la n a l y s i s g i v e nt h ew a yt oo p t i m i z ep a r a m e t e r s ，t op r o v i d e das 仃o n gb a s i sf o rt h ec h o i c eo f p a r a m e t e r s 4 b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo ff l u i dd y n a m i c s ，e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fah y d r o s t a t i cb e a r i n g ，a p p l i c a t i o no fa ns i m u l a t i o n a n a l y s i sw h i tf l u i da n a l y s i s s o f t w a r ef l u e n ta n a l y s e d ，c o m p a r e dt h e o r e t i c a lr e s u l t sw h i ts i m u l a t i o nr e s u l t s 。 b a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h et w or e s u l t s ，t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dg u i d a n c eo nt h em e a n i n go ft h ea c t u a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i cb e a r i n g ；l o w - - s p e e dh e a v y - - l o a d s ；o i lf i l mc a r r y i n g c a p a c i t ya n ds t i f f n e s s ；f l u e n ts i m u l a t i o n 图表索引 图2 1 普通滑动轴承结构简图7 图2 2 动压轴承结构图8 图2 3 动静压轴承结构图8 图2 4 油膜对轴颈不圆的均化作用1 1 图2 5 径向静压轴承三维图1 l 图2 6 定压供油式静压支承工作原理图1 1 图2 7 定量供油式静压支承工作原理图l l 图3 1 液体静压轴定压供油系统1 4 图3 2 径向静压轴承结构简图1 9 图3 3 静压腔的结构简图2 l 图3 4 无周向回油槽径向静压轴承示意图2 2 表3 1 许用最小油膜厚度2 4 图3 5 滑阀反馈结构图2 5 图3 6 滑阀反馈式向心轴承原理图。2 6 图3 7 承载能力和刚度随偏心率理论变化曲线图。2 8 图3 8 径向轴承的动态特性分析3 l 图3 9 振动模型图3 3 图5 1f l u e n t 软件各组件之间的关系4 5 图5 2f l u e n t 软件流程图4 6 图5 3 常用的单元类型4 7 图5 4g a m b i t 中对液体静压轴承油膜建模图5 2 图5 5g a m b i t 中对液体静压轴承油膜建模三视图5 2 图5 6g a m b i t 对液体静压轴承油膜划分网格模型5 3 图5 7g a m b i t 对液体静压轴承油膜划分网格模型透视图5 4 图5 8 对入流口处层面网格检查图5 4 图5 9 局部网格检查情况图5 5 图5 1 0 流体材料设置对话框设置5 7 图5 1 1 入口压力设置对话框5 7 图5 1 2 迭代收敛后的残差曲线图5 9 图5 1 3 仿真流体压力场云图一。5 9 图5 1 4 压力分布截图区域5 9 图5 1 5 截面压力变化图。6 0 图5 1 6 轴表面所受压力变化曲线图6 0 图5 1 7 承载能力和刚度随偏心率变化曲线图6 l i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 挺毁 j 日期：z 纠尹年月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 作者签名：乏袋彳 导师签名： 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代工业的发展，旋转机械越来越趋向于对速度和承载的极端化要求， 对轴承各方面的性能要求也越来越高。在低速重载领域，对大型工件的加工精 度要求不断提高，支承系统的承载能力和刚度越来越重要。尤其对于重型、超重 型机械零部件的维修，如何方便、有效的支承起重型设备的大型零件并保证维修 精度，一直受到国内外的高度重视1 。 重型机械中，大型风机已在钢铁厂、化工厂等得到广泛应用。风机在运行中， 转子的轴颈与轴肩由于种种原因经常发生研伤、磨损。这种现象对机组的安全运 行危害极大若重新制造，需时长，影响生产，同时成本很高；若要运回制造厂 家维修，对于该类大型零件运输不便、费用高、检修期长。现场修复因其不用返 厂、费用低、时间短、经济效益好而更适用于此类大型零件的修复加工。为了能 够得到预期的修复精度，对现场修复设备的支承系统要求较高，不但要有足够的 承载能力，还要满足加工的回转精度口3 。从目前来看，国内对于现场维修重型、 超重型转子的精密磨床的设计制造还存在着一些不足，其关键问题就是承载重型 转子的支承系统还不能完全满足实际生产技术的要求。 国内应用在现场修复的磨床支承系统多采用滑动轴承h 1 。滑动轴承有其自身 的一些优点，如承载能力较大，工作面上的油膜有减振、缓冲和降噪声的作用， 摩擦系数小、磨损轻微、寿命长，影响精度的零件较少，可以达到很高的回转精 度。滑动轴承中液体滑动轴承基础理论较为成熟哺1 ，根据运动表面间油膜形成原 理的不同，又可分为动压轴承、静压轴承和动静压混合轴承。与滑动轴承相比， 滚动轴承具有启动灵活、摩擦阻力小、承载刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、 易于互换等优点，是机械设备中广泛使用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚 动接触来支承转动零件的。它的缺点是抗冲击能力差、高速时有噪声、摩擦磨损 大，发热量大、工作寿命和回转精度不及滑动轴承1 。 动压轴承需要有一定的旋转速度才能产生动压油膜，当转速达到一定数值 时，转子带着润滑油从轴颈与轴瓦间隙大处向间隙小处流动，形成压力油膜而将 轴浮起。若轴类零件在较低的速度下进行加工，很难形成所需要的压力油膜，两 个摩擦副之间就容易发生边晁摩擦，甚至干摩擦，如要停止，压力油膜就要消失。 液体静压轴承具有承载能力大、运行稳定可靠等特点而被广泛应用到重型装 备中并成为核心部件，其油膜承载的能力直接影响到整个机床运行的可靠性、寿 命和经济指标，也是液体静压轴承的核心问题之一。油膜必须具备两个基本性能： 专用磨床静压支承系统分析勺仿真 足够的承载能力和抵抗外载荷增加的刚度，这样才能保证支承件的正常运行。因 此，对油膜性能研究就显得非常重要。国内绝大部分应用在现场加工的中型机床 回转支承采用巴氏合金的滑动轴承，若将其应用在重载的转子加工场合，不仅摩 擦功耗大，而且使用寿命短，但对于适合现场维修承载重型轴类零件的静压技术 的理论研究还较少，因此用静压支承技术对此类设备进行设计研究具有显著的经 济效益。 本课题从生产中存在的问题出发，对石化行业现场维修大型轴类零件的专用 修复磨床静压支承系统进行研究与计算，着重讨论油膜在低速重载情况下的承载 能力及刚度，以液体静压轴承的成熟理论为基础，研究计算出合理的设计参数， 使磨削加工达到所需要的加工精度，为生产实践提供理论依据。本课题具有一定 的学术价值。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外现状 国外很早就对静压轴承进行了研究。最早的液体静压支承的雏形是在1 8 7 8 年巴黎国际博览会上展出的能灵活浮动的展品。1 9 3 8 年美国加利福尼亚洲的帕罗 马尔山天文观测站在2 0 0 英寸天文望远镜上，首次成功地应用液体静压推力轴承。 该望远镜重量为5 0 0 t ，转速为1 转天，但驱动功率仅需7 0 w 。1 9 4 5 年法国工程师 p g e r a r d 发明了向心静压轴承，并于1 9 4 8 年成功地应用于g e n d r o n 磨床砂轮主 轴上阻1 ，在以后的几十年中，静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎遍及 于整个机械制造行业，包括仪器、冷轧机、雷达天线座等民用与军工的设备上。 近年来，国外对于静压轴承的研究正在向大型、重载和全自动控制方向发展。 在静压推力轴承性能研究方面有很多新的研究进展，在结构优化方面，英国学者 j o h n s o n ，r o b e r te 和m a n r i n g ，n o a hd 在设计静压推力轴承时采用浅油腔，而 不是传统的深油腔，并找出了它们的细微差别。通过使用几何形状的二维模型， 能提取封闭形状的浅油囊设计基本特征，通过轴承油腔不同的宽度识别出油腔不 同深度的作用口1 ；埃及学者t a o s m a n 等通过自行设计的测试装置，分析油腔的 尺寸和位置对静压推力轴承的性能的影响，并研究动载情况下静压推力轴承环型 槽油腔的设计，分析了半径率、油腔数和倾斜参数对承载能力、轴承刚度、阻尼 系数和流量的影响n0 1 ；考虑惯性流和离心力影响方面，英国学者j d j a c k s o n 和 g r s y m m o n s 对平行平板径向流压力分布进行了理论研究，得出惯性力对轴承性 能的影响是不可忽略的u ；印度学者t j a y a c h a n d r a 和n g a n e s a n 利用线性三角 形单元对具有圆形腔的圆锥静压推力轴承的承载能力进行有限元分析，提出惯性 力对轴承性能的影响不可忽略n 2 1 ；分析得到多油腔的静压推力轴承的倾斜对轴承 2 矽! f ：学位论文 性能的影响研究，发现油腔的半径率、腔型和旋转惯性力对承载能力及润滑性能 有一定影响；美国学者j f o s t e r l e 和w f h u g h e s 通过研究发现高速时惯性力 对静压推力轴承性能的影响不容忽略。对静压推力轴承在极速旋转时由惯性力引 起的气穴现象进行了研究n 3 1 ；g h o s h 和m u j u m d a r 通过研究发现流体惯性力和油 腔中的流体的可压缩性对静压推力轴承性能有一定的影响n 钔；t i n g 和m a y e r 研 究离心力和热对平行平板静压推力轴承性能影响，发现离心力和热对推力轴承性 能影响非常明显。考虑温度及热变形影响方面，及自主控制理论研究方面， c a n b u l u t ，f a z i l 和s i n a n o q l u ，c e m 利用神经网络分析了静压轴承的泄油量并实 时模拟静压轴承系统n 副。 其它研究方面，一些文献中报道了轴瓦弹性变形对静压推力轴承性能影响研 究。日本冈本工作机械公司推出了平面研摩机“u p g l 6 3 2 n cg r i n d - x ，采用可变 静压轴承移送加工台，可以高精度移送工件。可变静压轴承的特点是通过改变流 体供应量，从而在移送加工台时可自始至终保持不倾斜。例如，当研磨4 m 长的 工件时垂直度可达到1 5 微米。动静压混合轴承研究方面，也得到了广泛应用， 例如，日本、美国在2 0 0 m s 高速磨床中均使用动静压轴承。美国的机床业巨头 i n g r s o l l 公司拥有专利的动静压轴承，转速已在4 0 0 0 0 r m i n 以上口副。 目前静压技术应用在机械加工领域已经较为成熟，并朝向超高精度、超重载 荷加工的方向迈进。德国斯来福临集团旗下的勇克公司，2 0 0 7 年采用静压装置通 过b 轴回转一次装夹中完成工件外圆、内圆、端面、锥面、螺纹、非圆以及曲面 等部位的高精度复合磨削加工，与传统的机床加工相比，避免了多次安装的误差， 应用静压支承装置提高了加工精度和加工柔性。外圆磨削圆度可以达到小于 0 4i lm ，表面粗糙度r a 0 0 4 um u 7 1 。 1 2 2 国内现状 随着国内静压轴承的研究和应用的深入，从2 0 世纪6 0 年代发展到今天，总 体来说经历了以下四个阶段：原理验证阶段、生产性试验阶段、重视理论研究和 大量推广阶段、动静压轴承、静压轴承应用的扩大和商品化阶段n 引。这四个阶段 并不是后面的阶段取代了前一个，而是后面每一个阶段都是对前面系统的扩充和 进一步发展。 7 0 年代出现的动静压混合轴承综合了动压及静压承载机理，既提高了轴承 的动态特性及可靠性又能降低油泵消耗n 钔。此外还为适应不同的需要，出现了许 多其它形式的混合轴承，如用于航空发动机上的静滚混合轴承以提高转速及解决 高速大型轴承的疲劳寿命问题。 由于静压轴承具有良好的油膜均化作用，因此它成为现代精密加工设备的主 要支承。为了摸清均匀机理，了解有关零件精度对支承运动的影响程度，从而进 专用磨床静压支承系统分析与仿真 一步提高运动精度，国内学者对这方面进行了深入研究。以前人们对静压轴承的 研究主要是节流形式，得出了固定节流、可变节流及定量供油等形式，以获得良 好的静压轴承刚度。由于各种节流形式在高频下具有几乎相同的动态刚度，近年 来的重点己转为油腔结构，用尽可能简单而便于加工的节流器与合理的油腔结构 相匹配，达到良好的动静特性啪1 。 国内静压轴承的理论分析大都集中参数法及根据同心理论的小位移法进行 简化计算。用这些方法计算封油面不太宽、位移不太大的静压轴承是足够精确的， 可满足一般工程设计的需要，而且现在在计算的精确化及参数选择的合理性方面 取得了可喜的进展。但是对于大位移、宽油面的静压轴承设计计算而言，这些方 法的使用受到了限制。 清华大学摩擦学国家重点实验室和俄罗斯圣彼得堡国立科技大学共同提出 带节流器的自适应性静压轴承系统动态品质的分析与优化方法，通过在系统内以 不同方式引入类型各异的校正装置，改善了轴承系统的动态特性，提高了主轴的 回转精度。齐乃明针对传统静压气体径向轴承由于低刚度而引起的振动和运动精 度不高等缺陷，提出了一种自主式气体轴承控制方案，使轴承获得无穷刚度瞳。 中山大学数学系的周之铭、马汝念曾研究过有限元法在静压轴承上的应用， 证明了有限元素法有很好的几何适应性，对任意形状的油腔结构，都能有效地解 决。东南大学机械学研究室完成了轴承动态分析的有限元解法，偏斜对轴承性能 的影响，动静压轴承的热分析乜引。这些结果和使用方法对以后人们研究静压轴承 问题提供了很有利的指导，但是这些计算都是通过专业研究人员根据具体情况来 编制计算机程序来求得的，往往耗费大量的人工和时间，并且在使用上缺乏一定 的通用性。 郑州大学的张永宇研究了深浅腔缝隙节流浮环动静压推力轴承，使轴承的径 向油膜和轴向油膜从原来的单层油膜变成了双层油膜，降低了轴承的摩擦功耗， 有效地解决了对速度、精度要求较高的动静压滑动轴承在高速工况下摩擦功耗上 升较快、温升不易控制的难题比3 1 。 近年来，根据国际静压技术的发展，国内的静压技术的应用也正逐渐向高精 度、重载荷的领域发展。2 0 0 4 年，为满足国内外对大型、重型磨床的需求，上 海机床厂新开发了m c l 3 6 3 h ，m c a l 3 6 3 h ，其工作导轨宽度跨距为1 2 0 3 6 0 m m ，台面宽度5 2 0 m m ，砂轮主轴直径1 2 0 m m ，为静压轴承，油缸缸径1 0 5 m m 。 头架主轴采用交流变频调速，拨盘也采用轧辊磨床形式。对于外圆磨床以及轧辊 磨床，无锡机床厂，星火机床厂都在生产，且越造越大，精度越来越高，2 0 0 4 年 中国数控机床展览会展出了星火机床厂m k 8 4 1 0 0 数控轧辊磨床，最大磨削直径 1 0 8 0 m m ，最大磨削长度4 0 0 0 - 1 0 0 0 0 m m ，砂轮架拖板纵向运动，砂轮架横向运动， 4 硕1 j 学位论文 静压偏心套回转运动，砂轮架动静压轴承，工作精度，圆度2gl i t ，圆柱度2u m l o o o m m 。 目前，国内对于液体静压轴承的研究主要集中在高速精密的机械制造业中， 对于低速重载状态下的应用研究的文章较少，现场维修大型轴类零件的重载液体 静压支承技术有待进一步的研究。 1 3 本文的研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1 3 1 研究目标 本课题的研究目标就是从实际生产出发，结合国内外相关的技术理论，通过 有限元数值计算并运用计算机仿真技术，使理论设计尽可能的与实际生产情况吻 合，通过对油膜进行分析研究，讨论其参数对油膜承载能力及刚度的影响，并针 对专用磨床静压支承系统的设计制造给予一定的理论指导。 1 3 2 研究内容 本文主要对液体静压轴承进行研究，通过对油膜的承载能力及刚度的分析， 讨论液体静压支承在低速重载状况下能够稳定工作的条件，其主要包含以下几项 研究内容： ( 1 ) 对液体静压轴承进行方案设计，确定静压轴承的基本形式。 ( 2 ) 针对油膜承载能力及刚度进行分析计算，选择合理的静压轴承参数。 ( 3 ) 利用流体有限元分析软件f l u e n t 对静压轴承内部的流场进行仿真分 析，验证理论分析的正确性。 1 4 本文的主要工作 参考目前在静压支承理论方面国内外的研究成果，通过计算研究确定静压支 承的基本结构，对油膜的相关参数进行详细计算。最后，用流体有限元软件f l u e n t 对建立的静压轴承内部流场的模型进行分析。具体有下面几个方面： ( 1 ) 利用液体静压支承的基本原理，通过计算研究，选择符合本课题要求的 液体静压轴承结构形式。 ( 2 ) 确定油膜的特性及相关参数，并对油膜在静态、动态情况进行分析，为 参数的选取提供一定的依据。 ( 3 ) 建立液体静压轴承流场模型。在静压轴承流场建模过程中，主要进行压 力场的分析计算和边界条件的确定。最终对仿真结果进行分析。 专用磨床静压支承系统分析与仿真 置旨鲁鲁皇量量量量曼量曼皇| 鼍i 鼍曼皇量量| 昌鲁曼曼量邑曼皇曼曼曼曼曼皇鼍量量量| 詈曼量曼曼量量置量詈詈皇曼皇曼曼量 1 5 本章小结 本章综合论述了液体静压支承研究的发展过程和趋势，阐述了研究液体静压 支承时需要解决的关键问题，综述了国内外液体静压支承技术最新研究内容、现 状及进展，确定了本文的研究目的、方法和主要内容。 6 硕 = 学位论文 第2 章液体静压支承概述 对液体静压轴承进行介绍，比较各种形式的支承的特点，给出适用于本课题 的支承形式，并对选定支承形式的工作原理进行论证说明，为支承的进一步设计 提供依据。 2 1 滑动支承简介 机械中承担一定载荷的相对运动副统称为支承。按摩擦性质分为滑动支承和 滚动支承两类。其中，液体摩擦滑动支承和滚动支承早已获得了广泛应用。同时， 也陆续出现了一些新型支承，如流体摩擦静压滑动支承、固体润滑支承、磁力支 承等。 滑动支承按照摩擦状态分可为： ( 1 ) 滑动表面完全被流体润滑膜隔开的流体摩擦支承； ( 2 ) 滑动表面没有润滑剂的干摩擦； ( 3 ) 滑动表面不完全被润滑膜隔开的混合流体摩擦支承。 本设计的要求是使静压支承与工件之间完全处于流体摩擦状态，即属于流体 摩擦支承。 2 1 1 普通滑动轴承 普通滑动轴承是最早应用在传统的主轴支承上。其结构如图2 1 所示。 普通滑动轴承结构简单，轴瓦需用巴氏合金浇铸，通常采用滴油润滑，利用 油的自重向润滑部位滴油进行润滑，常用的是针阀滴油杯，其结构和安装简单， 滴速可调。但是对轴颈的加工精度、表面粗糙度要求较高，轴颈与轴瓦在工作过 程中直接接触，即所谓“零”间隙，其工作润滑油只起润滑作用，无流体膜形成， 故摩擦系数大，产生的热量高，容易造成烧瓦事故，而且由于摩擦阻力矩大，使 其摩擦的能耗大，其摩擦能耗占全机能耗的很大部分n 引。 口 图2 1 普通滑动轴承结构简图 7 2 12 动压轴承 动压轴承主要由轴瓦( 只有下瓦) 、轴 承衬体、轴承座、轴承盖、润滑系统所组 成，如图22 所示。液体动压轴承的工作 原理是利用轴颈本身回转时的泵油作用， 把油带入到轴瓦和中空轴两摩擦面问，建 立压力油膜从而使之分开，实现了液体摩 擦，即所谓的油楔承载机理。其摩擦系数 比滚动摩擦系数更小，又近一步降低了摩 擦所消耗的功率。由于供油压力较低，只 要保证到达轴瓦上端淋油管的润滑油量 充足就可以，考虑到泵站及管路配置，泵 圆扩甑 图22 动压轴承结构图 站供油系统较简单，操作比较方便。动压轴承存在着一些不足之处，如支承起动 时两摩擦表面间是无油的干摩擦状态，窬易磨伤轴轧，且起动力矩大；由于专 用磨床的转速低，很难形成动压油膜，并0 ：能达到完全的液体摩擦。而是边界摩 擦，这样不但易于擦伤轴瓦，也增加了专川磨床的传动功率消耗。 2 13 动静压混合轴承 动静压混合轴承克服了动压轴承启动或停止时摩擦面的干摩擦状态，从而有 效的减小了启动力矩。其结构如图23 所示。起动时，高压油泵向静压油腔内输 入润滑油，在高压润滑油的作用下将轴向上托起，实现纯液体润滑起动，当设备 运转正常后，自动切换成动压轴承，由低压系统供油依靠油楔作用形成的动压 油膜进行润滑。由于动静压轴承结合了动压轴承和静压轴承的特点，因此在中小 型设各中应用比较广泛”“。但是动静压轴承并没有完全解决低速运转过程中动压 润滑的边界摩擦问厢。 * 胜，e o 2 14 静压轴承? 静压滑动支承是靠外部的流体压力源 一嘲， 为摩擦表面之间供给一定压力的流体借 。 助流体静压力来承载。由于静压支承的运 斤注 一 动副之间完全被油膜隔开，就大大减少了 、：土、聿f 荆“ 因支承零件表面加工误差所产生的影响， 轴r 、 一” 而使该支承具有很高的运动精度。其工作 原理是借助于液压供油系统，强制地将压 图23 动静压轴承结构图 力润滑油注入摩擦副之间的油腔，利用油 硕l 学何论文 腔的封油边和工件间隙的节流作用，形成一定的静压力，以支承工件和克服磨削 力。 静压轴承的主要特点是静摩擦系数极小，承载能力高并且与转速无关，使用 寿命长，而且由于液体油膜有非常好的阻尼特性，使得切削时产生的振动较小， 主轴回转精度较高。液体静压轴承的润滑油来自油泵，经过具有液阻的节流器流 入轴承的各个油腔内，然后在通过与轴承封油面之间的微小间隙，最后经管路流 回油箱。液体或气体静压轴承虽然都具备一定的优点，但因液体和气体物理性质 的不同各有优劣。由于气体的粘度极小，约为油类的几百分之一，而且具有可压 缩性，在设计中一般取较低的供气压力，以免流量过大，所以气体静压支承与同 样尺寸的液体静压支承相比，承载能力要小很多。此外，由于气体的可压缩性， 使气体支承更容易出现不稳定现象。 经过实践，液体静压轴承与其它轴承相比，在运动精度、承载能力、静刚度、 抗振性、寿命方面都优于动压轴承、滚动轴承、气体轴承、磁力轴承。而在高速 回转与温升性能方面，液体静压轴承低于气体轴承与磁力轴承；因此，在高精度 与重载性能方面，液体静压支承有独特的优点，由于现场修复加工要求支承在低 速重载下工作，液体静压轴承以其优于其它轴承的低速状态下全液体摩擦以及高 承载能力，符合今后科技与机械工业发展的要求。适合应用于大型轴类零件现场 修复磨床的静压支承系统，因此，本课题选择液体静压轴承作为支承系统的基本 形式。 液体静压轴承及动静压轴承属于全液体摩擦轴承，大多情况下运转平稳，工 作寿命长。它具有以下特点： 液体静压支承的优点啪1 ： ( 1 ) 速度范围宽。液体静压支承的承载能力决定于支承的结构、尺寸和外 界所供给的润滑油压力或流量，而受滑动表面相对速度影响较小，即使在极低的 速度或静止的状态下也能正常工作。 ( 2 ) 承载能力大。合理选择支承有效承载面积和节流器形式，能达到很大 的承载能力和油膜刚度。 ( 3 ) 运动精度高。压力油膜的均化作用可使主轴回转精度高于轴颈和轴承 的加工精度。 ( 4 ) 抗振性能好。油膜具有良好的吸振作用，因此能使滑动件运动平稳。 ( 5 ) 使用寿命长。液体静压轴承在纯液体状态下工作，两相对滑动面不直 接接触，因而磨损小，寿命长，启动功率消耗小。 液体静压支承的缺点： ( 1 ) 需有一套可靠的供油装置，增大了设备的空间和质量，初期成本较高。 9 专用磨床静压支承系统分析与仿真 ( 2 ) 与滚动轴承相比静压轴承的维护保养成本较高。 2 2 液体静压轴承油膜的均化作用 液体静压轴承的支承件和滑动件由于被一 层很薄的油膜隔开，而且油膜存在一定的弹性， 因此两相对滑动面本身的制造误差会被油膜的 可压缩性减小，从而减小了支承件的形状误差 对整体运动精度的影响，即运动精度比两相对 滑动面制造误差高的多，这个效应称为油膜均 化效应。如图2 4 所示。由于对轴类零件支承的 1 、轴承 2 、油膜 3 、轴颈 具体部位的不确定，很可能因为支承部位不圆 图2 4 油膜对轴颈不圆的均化作用 而影响回转精度，而油膜均化效应在一定程度上缓解了这个问题。 2 3 液体静压轴承的分类及构造 液体静压轴承的类型很多，一般是按如下几种方法分类幢1 1 ： ( 1 ) 按供油方式，可分为定压供油式和定量供油式。 ( 2 ) 按轴承结构，可分为径向静压轴承，推力静压轴承和径向推力静压轴 承。 ( 3 ) 按有无回油槽，可分为有周向回油槽形式，无周向回油槽形式。 径向静压轴承又称为向心轴承，是液体静压轴承中较一般的类型，现以径向 静压轴承为例说明结构。 如图2 5 所示的径向轴承，轴承的内圆表面分布有四个对称分布的矩形凹 槽，称作油腔，用来扩大有效承载面积并减小摩擦面积。围绕油腔的凸边称为封 油边。封油边和轴颈之间的间隙很小，起到“憋压的作用。每两个油腔之间的 封油边上开有轴向槽以供周向回油，有的静压轴承没有回油槽，只是通过轴承端 面使油流回油箱。油腔、封油边和回油槽形成了一个油垫。对于没有轴向槽的轴 承，当各个油腔压力不同时，油从高压区流向低压区的油腔。 l o 殴 供油孔 封油面 油腔 图25 径向睁压轴承三维围 2 4 液体静压支承的工作原理 静压轴承由于具有上述特点，在精密机床中，定程度上决定了机床主轴的 回转精度。太多情况下，希望专用磨床的性能不受支承的制造和装配变化的影响， 运转平稳，无振摆，磨损极小甚至无席损，柜高速度、稳定刚度等要求下工作。 而静压轴承能同时达到上述所有要求。因此静压轴承在精密机床及要求非常严格 的高、低速回转机构中得以广泛的应用。液体静压支承按照液压系统供油形式 不同，可分为定压供油式静压支承和定量供油式静压支承。下面简单介绍液体静 压支承的工作原理”1 。 一 _ 眨 专用磨床静乐支承系统分析与仿真 研究油路系统。这两个液阻是串联的，按照串联电阻的欧姆定律可得油腔压力 p r ： 弘只煮 亿1 ) 式中： 只油腔压力，m p a ； 只供油压力，m p a ； 以- 进油液阻，k g s m 5 ； 心出油液阻，k g s m 5 。 在开始建立油腔压力时，由于支承件的自重和载荷的作用，支承件与轴瓦相 互贴合。油泵启动后，从油泵输出具有一定压力的润滑油通过各个节流器进入对 应的静压油腔内。由于油腔是对称分布的，若忽略支承件的自重，则支承件处于 轴承的中心位置，此时，支承件与轴承之间的间隙均等于设计间隙1 1 0 ，各油腔压 力相等。支承件表面和轴瓦表面被润滑油完全隔开，静压轴承处于全液体摩擦状 态。 当载荷增大时，油腔压力必须能随着载荷的变化而变化。载荷由f 变成 f + f ，若进油液阻如固定不变，则支承件有下沉的趋势，使间隙h 减少，出油 液阻r h 增大。由式( 2 1 ) 知，油腔压力p ，将增大，直至与增大后的载荷a f 平 衡。 载荷减小时的情况与载荷增大时相反，同理可知油腔压力将减小，直至与减 小后的载荷f a f 平衡。 如果轴承和节流器的参数选择合适，供油压力p 。应用适当，可使支承件的 位移很小，就可以产生足够的承载力以承受外载荷。若采用可变节流器，甚至可 以使支承件的位移为零，即支承件在承受外载荷的情形下仍处于中心位置。 2 4 2 定量供油式静压支承 如图2 7 为定量供油式静压轴承的工 作原理。供油系统由于以恒定的流量供油 给油腔，油腔压力p ，取决与供给的流量 q 。和出油液阻r h ，同样也可用等效电路 欧姆定律来模拟。 e = q r ( 2 7 ) 式中： p 油腔压力，m p a ； q c 供给静压腔的流量，l m i n l r 出油液阻，k g s m 5 。 1 2 珍钐黝 ，一川j h ，憋闷、 斛；心y 彭名么勿 ，7 i “k 、 2 7 闲 闷、 惘：斛 ，-，t。 ， )()() 流阀 。鼠 图2 7 定量供油式静压支承工作原理图 卜轴：2 一轴瓦 硕 学位论文 ! i oi b ii。=i _ i 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 当载荷f 增大时，在流量q c 恒定的情况下，间隙h 将减小，出油液阻r h 增 大，致使油腔压力p r 增大以平衡载荷，反之也同理。因此定量供油式静压支承与 固定节流静压支承的承载原理相同，都依靠出油液阻r h 的改变，使油腔压力p r 随载荷的变化而变化。 实现定量供油有下述两种方法： a 定量泵式，油泵以恒定的流量q 。直接供油给油腔，故油腔压力始终等于油 泵压力。 b 定量节流阀式，用定量节流阀代替节流器，使通往油腔的流量恒定。 油泵压力为p 。的压力油先流经阀芯的节流孔，然后再经锥形节流缝隙进入油 腔。当油腔压力p r 变化时，自动调节缝隙，使节流孔两端的压力差不变，以达到 定量供油的目的。 对于多油腔静压轴承工作原理与单油腔静压轴承工作原理不一样，多油腔静 压轴承在每个油腔内的进油路上设置节流器，即节流器的个数等于油腔数，这样 各个油腔的压力就可以不同，利用压力差来平衡外载荷。若两个油腔合用一个定 量泵，其油腔压力相等，但大小由承载较小的油腔决定。 对于定量供油式多油腔静压支承径向轴承，由于每个油腔各用一个定量泵， 因此每个油腔压力是随载荷变化而独立变化的。 定量供油具有功率损失小，温升低等特点，基本上消除了节流间隙的堵塞现 象。这种供油方式的静压轴承，不需要节流器，但轴承每一个油腔需要有一个流 量相同的油泵。最早的静压轴承就是采用这样的供油方式，因结构复杂没有推广 应用 2 4 3 。定量泵的制造繁琐，油路较长，润滑油的压缩性和惯性对供油性能影响 就较大，自身对突变载荷及交变载荷调整能力差，费用较高，所以目前主要应用 于超大型或超重型机床的静压轴承乜钉。本课题中液体静压轴承对于工件的支承只 是起到辅助支承的作用，工件要求进行装夹、磨削方便灵活，定量供油方式对于 现场加工辅助静压支承，造价过高，结构过于复杂，不利于现场维修的灵活性， 本课题选择定压供油式静压轴承。 2 5 本章小结 本章对液体静压支承进行了总体的介绍，分别详述了液体静压支承的分类、 构造及工作原理。重点阐述静压轴承的普通形式一径向静压轴承，对液体静压轴 承的结构进行了介绍，阐述了液体静压轴承的工作原理。定量供油方式相对复杂， 不适用于现场维修静压支承系统，本课题选择定压供油方式。 1 3 专用磨床静压支承系统分析与仿真 第3 章专用磨床液体静压轴承的设计 3 1 液体静压支承供油系统 3 1 1 液体静压支承供油系统 供油系统是静压支承系统中一个重要部分，供油系统必须满足下列要求： ( 1 ) 油的压力、流量应满足轴承的要求； ( 2 ) 能够保持润滑油的清洁； ( 3 ) 供油系统具有安全保护装置； ( 4 ) 有利于系统的散热。 1 0 图3 1 液体静压轴承定压供油系统图 卜油箱；2 一进油滤油器：3 一电动机；4 - 油泵；5 一单向阀；6 一粗滤油器；7 一压力表； 8 一压力继电器；9 一精滤油器；1 0 - 节流器；1 1 一蓄能器；1 2 一溢流阀 设计液体静压轴承液压系统图，如图3 1 所示。启动系统工作时，首先开启 溢流阀使其处于溢流状态，此时启动电机，待电机稳定后油泵开始工作。油液经 过单向阀进入主供油管路，蓄能器开始储存能量，同时油液经过精滤油器和节流 器后进入静压轴承油腔，静压轴承开始工作，将支承工件浮起，液压油流经静压 轴承两端后回到油箱，形成回路。 1 4 硕十学位论文 曼m mmmm =m=l曼曼曼曼曼曼曼曼曼 3