精密传动-动静压轴承

动静压轴承简介轴承分为滚动轴承和滑动轴承两大类。在滑动轴承中又有动压轴承、静压轴承、挤压膜轴承和动静压轴承等等。动压轴承和静压轴承是作为滑动轴承的两个独立的分支各自发展的，而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。液体动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗震性能好，主要用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。既可用于旧机床改造，也可用于新机床配套。虽然静压轴承在运动精度，寿命以及工艺性等方面比动压轴承好，但其供油系统较复杂，在抗振性方面(挤压膜效应)往往不如动压轴承。而动静压轴承在主轴高速运转时以动压为主，称为“动压运转”，在低速以静压为主，即使在零速下也能使被支承轴起浮，避免了轴和轴承之间的干摩擦，并保证了油膜厚度的恒定，称为“静压顶起”。所以动静压轴承兼有动压和静压两种轴承的优点，大大降低供给系统的功率损耗。现代高速电主轴动静压轴承应用非常广泛。例如日本、美国在200m/s高速磨床中均使用动静压轴承。动静压轴承的长寿命使其应用广泛。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。采用动静压轴承可以完全恢复机床因主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面粗糙度；提高机床主轴精度和切削效率并可多年连续使用而不需维修。多年来我国一些企业采用动静压轴承为新机床配套和进行国产和进口旧机床设备改造，均获得了满意的使用效果和显著的经济效益。1、液体动静压轴承的工作原理当主轴静止或转速低于某一临界值时，利用静压供油系统提供的高压油，在静压腔内形成一定的压力。将主轴浮起并承受一定的载荷，使轴承处于全液体摩擦状态，从而避免了在起动、停车或低速运行时的干摩擦或半干摩擦状态，从而降低起动扭矩、减少轴承磨损。当主轴正常运行时，如果动压效应所形成的油膜承载力已足够，则轴承的静压供油系统可停止工作，轴承处于全动压运行状态。当全动压运行状态的油膜承载力或油膜刚度不能满足设计需要，则同时开动静压供油系统，轴承处于动静压混合运行状态，使油膜承载力提高，适应外载荷要求。2、动静压轴承动力学分析多采用油腔式结构，为了充分发挥油腔式轴承的动压效应，还可以将静压深油腔变浅，使油腔深度大致和轴承间隙差不多，这样，沿轴向和周向均有一浅阶梯，它利用油通过由浅油腔及周向封油面所构成与轴旋转方向垂直的若干个阶梯产生动压承载力，也就是既能在轴向形成静压力，又能在周向形成动压力。这种浅油腔径向轴承有单排和双排两种结构型式。浅腔结构的轴承结构如图1所示。图1具有动静压效应的轴承结构2.1控制方程在轴承的封油面和浅腔中，其满足润滑油润滑的控制方程，即雷诺方程。式中：r----轴承径向坐标θ----轴承角向坐标h----轴承油膜厚度μ----润滑油粘度Ω----主轴角速度t----时间将式[2-1]无量纲化，取则式[2-1]可成为式中：上式中：r----轴承外圈半径SP----供油压力f----外激励力频率h0----装配间隙h10----轴承不倾斜时的油膜厚度h20----轴承倾斜时的油膜厚度2.2油腔中流量方程浅油腔中θ方向的流量为:封油面上流量为：依据流量连续性，可得：在r方向，浅腔中流量为：则封油面上的流量为：依据流量连续性，可得：2.3轴承倾斜时的差分方程式中：为轴承稳态时的倾角。则式[2-2]可写为：式中边界条件为在轴承外圈P=1，轴承内圈P=0。3、动静压轴承的应用实例3.1纯浅腔结构的动静压轴承由于动静压轴承是利用静压和动压的叠加作用为了适应各类机床主轴的性能要求，轴承的结构形式可按需要进行设计，有些接近于静压轴承，有些则更相似动压轴承。这进一步说明，动静压轴承不仅比纯静压轴承或纯动压轴承具有更好的性能，而且能适应不同类型机床主轴工作时对刚度及承载能力的亚要求。如图2为纯浅腔结构的动静压轴承，适用于高速轻载的机床主轴。压力又通过环形槽进入两侧的若干浅腔。该轴承结构简单，但静压承载力较低，可双向旋转。图2纯浅腔结构的动静压轴承3.2孔式环面节流深浅腔动静压轴承如图3是孔式环面节流深浅腔动静压轴承的结构简图。仅有空采用φ1～φ1.3小孔，小孔直径与主轴间隙组成的圆柱面和浅腔构成两次节流。主轴的静态承载力增强。如需进一步提高轴承承载力可在轴承上开制轴向回油槽（图3序线所示），轴承的供油量会有所增加。这类轴承适用于中速中载的机床主轴，如MG1432外圆磨、MM7150平磨、M1080无心磨、扎辊磨等。图3孔式环面节流深浅腔动静压轴承3.3径向止推动静压轴承如图4为径向止推动静压轴承的结构简图。这类轴承可以同时承受径向力和一个方向的轴向力。它是在径向动静压轴承基础上一段增加平面止推动静压轴承组成的所谓联合轴承。动静压止推轴承得止推面上设有动压油腔和动静压又油腔，采用孔式环面节流器，油腔由深腔和浅腔组成。主轴轴肩舆止推棉被一层静压力油膜隔开，主轴旋转时即可自然形成动压承载油膜承受轴向载荷。根据主轴结构及工作性能要求，可在主轴端各用一个联合轴承，或在主轴一端用一联合轴承和一个平面动静压止推轴承来实现。如果旧机床主轴本身带有止推结构，改造时可保留原则结构省去动静压轴承。如MQ8260曲轴磨床改造就利用原主轴上得止推结构。图4径向止推动静压轴承4、动静压轴承发展趋势动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点。它利用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性。高压油膜的均化作用和良好的抗振性能,保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。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。