自補償液體靜壓軸承靜/動態特性有限元分析

佐曉波　尹自強　王建敏　李圣怡

摘要：對一種新型的自補償雙錐面液體靜壓軸承進行了理論和實驗研究.介紹了自補償雙錐面液體靜壓軸承結構與工作原理，采用小擾動法建立了其潤滑油膜的理論模型，自補償節流公式中計入了轉子移動對節流間隙的影響.采用有限元方法求解了軸承的承載力、流量、剛度和阻尼系數，通過對承載力的測試驗證了模型的可行性.結果表明：自補償雙錐面液體靜壓軸承比同條件下固定節流靜壓軸承的徑向承載力高，且其在較小載荷下工作時具有較高剛度.

關鍵詞：液體靜壓軸承；自補償；靜態特性；動態特性；有限元；小擾動方法

中圖分類號：TH133.3 文獻標識碼：A

液體靜壓軸承具有承載力大，剛度高，阻尼特性好和磨損小等一系列優點，在精密機床主軸、導軌和轉臺等基礎設備中有著廣泛的應用.節流器對靜壓軸承的靜、動態性能具有重要影響.常用的軸承節流器包括小孔、毛細管、狹縫等固定節流器和薄膜等可變節流器，其在現有文獻中有較深入的研究.Chen等[1]對毛細管節流靜壓軸承性能進行了理論研究，郭力等[2]則對毛細管節流的大型動靜壓軸承進行了實驗研究， Chen等[3]以及 Nicodemus和Sharma[4]研究了小孔節流靜壓軸承性能，結果均表明節流參數的選擇對軸承性能具有重要影響.Sharma等[5]研究了狹縫節流軸頸軸承，指出其失穩速度比毛細管和小孔節流軸承高.郭力等[6]則提出一種圓隙縫節流靜壓軸承，計算表明其性能優于傳統狹縫節流軸承.Singh等[7]和Brecher等[8]研究了薄膜節流多腔靜壓軸承的特性.Gao等[9-10]分析了一種采用PM流量控制器的新型薄膜節流靜壓軸承的靜態和動態特性.以上類型軸承，節流器的設計、制造往往較為復雜.自補償節流軸承不使用節流器，采用自身結構實現節流，其性能介于固定節流和薄膜節流之間.夏恒青[11]和王瑜[12]分別對自補償液體靜壓軸頸軸承的節流腔結構和動態性能進行了研究.Kane等[13]將節流間隙與承載間隙設計成呈角度相交的兩段，制造了一種適用于轉臺的自補償靜壓軸承.現有文獻中對自補償軸承的報道相對較少.本文設計了一種新型的自補償液體靜壓軸承，采用小擾動理論建立了軸承計算模型，并采用有限元法計算了其靜、動態特性.

1自補償靜壓軸承結構及其節流原理

軸承結構示意圖如圖1（a）所示.軸承采用雙錐面形式，主軸由兩個圓錐零件和一個連接塊組裝而成，定子上安裝節流環，由節流環的外表面與轉子相應配合表面形成的間隙實現潤滑油的節流，因不采用傳統形式的節流器，所以稱為自補償靜壓軸承.圖1（b）所示為軸承實物圖.圖2為定子結構示意圖，圓柱型節流環外表面上加工有節流單元，其通過內部的油路與軸承表面的油腔連通，每個油腔對應一個節流單元.為適應超精密機床對軸承回轉精度的要求，采用多油腔結構，可以有效均化制造誤差對油膜厚度的影響.

參考圖1和圖2說明節流原理.高壓潤滑油由供油口進入軸承與轉子間的環形空腔， 然后越過節流環端面進入節流間隙中，經節流單元產生一定的壓力損失后進入軸承表面油腔.節流間隙對進入油腔的潤滑油壓力起到調節作用，從而使油膜壓力適應載荷變動.當軸發生偏心時，軸承間隙減小一側的節流間隙增大，使油腔前的壓力損失減小而流量增大，從而使油腔壓力升高，同理軸承間隙增大一側油腔壓力相應降低，兩側壓力差產生油膜回復力.

4結果與討論

圖5所示為軸承無量綱承載力相對于無量綱位移的變化曲線，并與固定狹縫節流雙錐面軸承在相同條件下進行了比較.由曲線看出：1）仿真結果與實驗結果比較接近，但是因為軸承中含有各種制造誤差，而且在高壓下轉子會發生向外變形增大實際間隙，這些因素均不利于軸承承載力，因而實測值比計

算值小.為了更明晰地研究軸承性能，計算模型未將這些因素考慮在內.2）自補償靜壓軸承的軸向承載性能與固定狹縫節流軸承相等，但是前者的徑向承載力更大，當偏心率為0.5時比后者提高102.7%，說明與固定節流相比自補償方式可以將承載力提高一倍.3）承載力隨位移的變化呈現明顯的非線性，尤其是當軸承徑向受載時，非線性更加明顯，這是由于轉子徑向運動時，節流間隙與軸承間隙同時變化造成的.4）圓錐面半頂角為50°條件下，所設計軸承的軸向承載能力更大，當無量綱位移為0.5時比徑向承載力高出14.5%.圖6所示為無量綱流量隨無量綱位移的變化曲線.由圖可以看出：1）轉子在軸承中心位置時所需潤滑油流量最大.2）軸承軸向受載工作時比徑向受載所需的潤滑油流量大，軸承在大偏心條件下工作時潤滑油需求量明顯降低，徑向偏心率為0.5時軸承消耗潤滑油流量比初始位置時降低32.6%.

5結論

本文設計并制造了一種新型的自補償液體靜壓軸承，采用有限元方法求解擾動雷諾方程，得到了該軸承在低速條件下的承載力、流量、剛度和阻尼系數等靜、動態特性參數，并采用實驗方法實測了軸承的承載力.根據數值分析結果，可以得到以下結論：

1）自補償雙錐面液體靜壓軸承與固定節流軸承相比，軸承承載力基本相當，徑向承載力具有明顯提高.

2）自補償雙錐面液體靜壓軸承建模時需考慮轉子運動對節流間隙的影響，所建立的模型能夠有效計算自補償軸承的特性.

3）自補償雙錐面液體靜壓軸承在低載荷工作條件下具有較高的剛度，在重載荷條件下剛度在載荷方向有較大降低；徑向阻尼隨位移變化不大，而軸向阻尼隨位移增大.

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