自补偿液体静压轴承静/动态特性有限元分析

　　摘要：对一种新型的自补偿双锥面液体静压轴承进行了理论和实验研究.介绍了自补偿双锥面液体静压轴承结构与工作原理，采用小扰动法建立了其润滑油膜的理论模型，自补偿节流公式中计入了转子移动对节流间隙的影响.采用有限元方法求解了轴承的承载力、流量、刚度和阻尼系数，通过对承载力的测试验证了模型的可行性.结果表明：自补偿双锥面液体静压轴承比同条件下固定节流静压轴承的径向承载力高，且其在较小载荷下工作时具有较高刚度.

　　关键词：液体静压轴承；自补偿；静态特性；动态特性；有限元；小扰动方法

　　中图分类号：TH133.3文献标识码：A

　　液体静压轴承具有承载力大，刚度高，阻尼特性好和磨损小等一系列优点，在精密机床主轴、导轨和转台等基础设备中有着广泛的应用.节流器对静压轴承的静、动态性能具有重要影响.常用的轴承节流器包括小孔、毛细管、狭缝等固定节流器和薄膜等可变节流器，其在现有文献中有较深入的研究.Chen等[1]对毛细管节流静压轴承性能进行了理论研究，郭力等[2]则对毛细管节流的大型动静压轴承进行了实验研究，Chen等[3]以及Nicodemus和Sharma[4]研究了小孔节流静压轴承性能，结果均表明节流参数的选择对轴承性能具有重要影响.Sharma等[5]研究了狭缝节流轴颈轴承，指出其失稳速度比毛细管和小孔节流轴承高.郭力等[6]则提出一种圆隙缝节流静压轴承，计算表明其性能优于传统狭缝节流轴承.Singh等[7]和Brecher等[8]研究了薄膜节流多腔静压轴承的特性.Gao等[9-10]分析了一种采用PM流量控制器的新型薄膜节流静压轴承的静态和动态特性.以上类型轴承，节流器的设计、制造往往较为复杂.自补偿节流轴承不使用节流器，采用自身结构实现节流，其性能介于固定节流和薄膜节流之间.夏恒青[11]和王瑜[12]分别对自补偿液体静压轴颈轴承的节流腔结构和动态性能进行了研究.Kane等[13]将节流间隙与承载间隙设计成呈角度相交的两段，制造了一种适用于转台的自补偿静压轴承.现有文献中对自补偿轴承的报道相对较少.本文设计了一种新型的自补偿液体静压轴承，采用小扰动理论建立了轴承计算模型，并采用有限元法计算了其静、动态特性.

　　1自补偿静压轴承结构及其节流原理

　　轴承结构示意图如图1（a）所示.轴承采用双锥面形式，主轴由两个圆锥零件和一个连接块组装而成，定子上安装节流环，由节流环的外表面与转子相应配合表面形成的间隙实现润滑油的节流，因不采用传统形式的节流器，所以称为自补偿静压轴承.图1（b）所示为轴承实物图.图2为定子结构示意图，圆柱型节流环外表面上加工有节流单元，其通过内部的油路与轴承表面的油腔连通，每个油腔对应一个节流单元.为适应超精密机床对轴承回转精度的要求，采用多油腔结构，可以有效均化制造误差对油膜厚度的影响.

　　参考图1和图2说明节流原理.高压润滑油由供油口进入轴承与转子间的环形空腔，然后越过节流环端面进入节流间隙中，经节流单元产生一定的压力损失后进入轴承表面油腔.节流间隙对进入油腔的润滑油压力起到调节作用，从而使油膜压力适应载荷变动.当轴发生偏心时，轴承间隙减小一侧的节流间隙增大，使油腔前的压力损失减小而流量增大，从而使油腔压力升高，同理轴承间隙增大一侧油腔压力相应降低，两侧压力差产生油膜回复力.