微孔节流气体静压止推轴承的特性研究 高速精密机床是加工机械产品的主要工具,其性能的优劣直接决定着机械产品的质量,而精密机床的核心部件是电主轴。在电主轴的支撑方式中,气体静压轴承随着流体润滑理论以及流体力学的发展和完善,其承载力和刚度得到提高,可 以满足精密加工的需要,因此成为精密加工设备和测试设备主轴中的主要支撑方式。本文结合现有的狭缝节流器及孔式节流器的优缺点,提出一种微孔节流器, 它属于孔式节流的范畴,但突破了传统小孔节流器的结构形式,在节流孔的出口 处不设置气腔,均为通孔,同时结合了狭缝节流器的节流特性,在保证轴承刚度的基础上,增加供气孔数量,改善压力分布状态,进而提高轴承的特性。根据小孔节流和环面节流的物理模型,建立微孔节流的物理模型。 依据气体轴承理论中的的雷诺方程,N-S方程、流体力学的运动方程、状态 方程以及连续方程等推导出求解微孔节流气体静压止推轴承的动静态特性的数 学方程,并利用有限差分法对推导的微孔节流气体静压止推轴承的静态方程进行差分,并利用MATLAB进行编程求解。根据微孔节流气体静压止推轴承的物理模型,利用Solidworks软件、Gambit软件以及ICEM CFD软件等对微孔节流气体静压 止推轴承进行仿真模型的建立、网格的划分,并利用Fluent软件对模型进行求解。利用上述两种方法对轴承的供气压力、气膜厚度、供气孔数目、无量纲供气孔分布半径以及供气孔直径等对轴承的动、静态特性的影响规律进行研究,并对微孔节流气体静压止推轴承与狭缝节流、小孔节流以及环面节流气体静压止推轴承在相同的工作参数和结构参数的静态特下性进行对比分析,最后利用正交试验法和灰色理论对微孔节流气体静压止推轴承进行优化。根据仿真优化结果,设计、加工并制造微孔节流气体静压止推轴承,并用精密测量仪器对加工的轴承进行关键结构的测量,设计并搭建气体轴承动静态特性实验平台,在实验平台对轴承的静 态特性,包括轴承的静承载力、静刚度和轴承的动态特性,包括轴承模态、稳定性进行实验分析。 通过对微孔节流气体静压止推轴承的动静态特性的仿真与实验研究,为气体静压止推轴承的研究提供理论和实验基础。
空气静压气浮轴承工作原理气体静压轴承是滑动轴承形式当中的一种，其结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体(多为空气)作为润滑介质。当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。对于气体静压轴承，采用外压供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键，而主轴工作时因自重和载荷出现的偏心则建立起轴承相应的承载和刚度加工中心机制。以径向供气的静压气浮轴承为例，径向孔式静压气体轴的气流通道主要由节流孔和轴承径向间隙两部分组成，节流孔是使外部加压气体进入轴承间隙前，产生节流效果、并使之形成具有一定承载能力及刚度的稳定润滑气膜的一种装置。而轴承径向间隙则是通过改变径向间隙，调整对气流的阻抗以达到改变空气流量，进而影响上游来流条件，改变节流孔出口压力Pr，在轴承腔内建立起新的平衡。两者的宏观表现均是对流体产生阻抗，使来流压力不断降低，因此，有类似电学欧姆定律的规律。将图4-1的气浮轴承模型类比图4-2的电阻模型。 压缩空气以供气压力只:由供气通道经节流小孔进入气腔，通过气膜流出，当通道横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体的粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，经过节流小孔后气体压力值减小，即气腔中压力Pr，小于供气压力凡。同理由于气膜厚度很小，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时，压力会有再次损失，即环境压力Po低于气腔压力Pr。我们将节流小孔和气膜这些小截面通道对气流的阻碍作用称为阻抗，将节流小孔的阻抗记为Rg，记气膜的阻抗为Rh。那么，空气流动的过程与电流流经两个串联的电阻非常相似，其中，气流对应于电流，阻抗对应于电阻，气体压力对应于电压。未通压缩空气前，由于滑动件的自重与载荷的作用:支承件与滑动件相互贴合:气膜厚度h为零。此时气膜的阻抗Rh趋于无穷大，气腔压力只，趋近于供气压力Ps;当供气压力与气腔面积之乘积值超过载荷F时，滑动件浮起，气膜形成，气腔压力只，低于供气压力凡滑动件在气膜压力的支承下达到平衡。当外载荷F增大时，气膜厚度减小，气膜阻抗值R蹭大。根据图4-2，气膜上的压帜，会因此增加，支承力增加，以平衡增大的外载荷。反之，「减小，h增大，R*减小，只减小，从而支承力减小，这样可以和减小的外载荷平衡。以上就是静压润滑的基本原理。其原理图如图4-3,如果把多个图4-1这样的结构均布在环形圆周上，支承件换成轴，就形成了空气静压轴承结构，其示意图如4-4所示。
小孔节流静压气体球轴承自激振动现象的研究! 郭良斌%#王祖温& !%5武汉科技大学城建学院#武汉#-44,4&&5大连海事大学机电与材料工程学院#大连%%/4&/" 摘要!分析了单供气孔小孔节流静压气体球轴承在不同供气压力下的动态刚度和阻尼特性)及轴承发生自激振动的频率范围-结果表明)承载质量$气膜系统是一个强非线性的振动系统)系统的动态参数随着扰动频率及工作点的变化而变化-从能量传输的角度看)气膜负阻尼可以理解为气膜非定常力对于承载质量在振动一个周期内作正功)使物体振动加剧)最终产生气锤自激振动- 关键词!静压气体球轴承*小孔节流*气锤自激 中图分类号!*+%--5-/77文献标识码!I77文章编号!%44%$-66%"&44/#6$4//$- 2I H G./1F1L H0NI J-$N00L E J1*SI L E1NQ Q.F E L D D H E J O L G2C P L E J-NQ(ND X L NE J1KD +J I P2J1KQ L>E J M J-L#/0C L1D NI J/1 P Y TU@D]
静压轴承与动压轴承 1.静动压轴承的工作原理 先启动供油泵，油经滤油器后经节流器进入油腔、此时在主轴颈表面产生一层油膜，支承、润滑和冷却主轴，由于节流器的作用油液托起主轴，油经回油孔通过回油泵回至油箱。然后启动磨头电机，主轴旋转。利用极易产生动压效应的楔形油腔结构，主轴进入高速稳态转动后，形成强刚度的动压油膜，用以平衡在高速运行下的工作负载。 l 结构形式及特点: 整体套筒式结构,安装方便; 高精度:由于承载油膜的均化作用，使主轴具有很高的旋转精度: 主轴径向跳动、轴向窜动≤2μm；或≤1μm 高刚度：由于该轴系的独特油腔结构，轴承系统在工作时，主轴被一层压力油膜浮起，主轴未经旋转时为纯静压轴承，主轴旋转时由于轴承内孔浅腔的阶梯效应使得轴承内自然形成动压承载油膜，因而形成具有压力场的动压滑动轴承，该结构提高了轴承的刚度；轴向刚度可达到20—50kg /1μm；径向刚度可达到100kg /1μm 高承载能力：由于动压效果靠自然形成，无需附加动力，使得主轴承载能力大大提高。长使用寿命：理论为无限期使用寿命,在正常使用条件下，极少维修. 2.动压与静压SKF轴承特点及应用选例 磨床主轴进口轴承除采用滚动轴承外，一般常用的是动压滑动轴承，其特点是运动平稳，抗振性好，回转速度高。但动压滑动轴承必须在一定的运转速度下才能产生压力油膜，实现纯液体摩擦，因此不适用于运转速度低的主轴部件，例如工件头架主轴等。另外，主轴在启动和停止时，由于速度太低，也不能建立压力油膜，因而不可避免地要发生轴颈和轴承金属表面的直接接触，引起磨损。 同时启动力矩较大，NSK轴承容易发热。主轴在运转过程中，轴心的偏移将随外载荷和转速等工作条件不同而不同，旋转精度和稳定性有一定限制。静压轴承则不同，由于它是靠外界液压系统供给压力油形成压力油膜的，且油膜刚度决定于轴承本身的结构尺寸参数以及节流器的性能等，与主轴转速外载荷无关，因而可以保证轴承在不同的工作情况下都处于稳定的纯液体摩擦状态，轴承磨损很小，可长期保持工作精度。 此外，当采用可变节流器时，SKF轴承的油膜刚度很大，载荷变化时主轴轴心位置变化很小，可保持较高的旋转精度。采用静压轴承的缺点是：需要配备一套专门的供油系统，制造成本较高，占地面积也大，而且对润滑油的过滤要求非常严格，维护比较复杂。近年来有很多磨床的主轴轴承采用了动压轴承或静压轴承，取得了良好的效果。例如：M1080型、M10100型和MGl040高精度无心磨床，其主轴都采用动压FAG轴承，而且是五片式动压轴承。 Mzlll00全自动宽砂轮无心磨床，除了采用动压轴承外，还采用了静压导轨，提高了进给的灵敏性和精度，能实现0．0015mm的进给量。尤其是在高精度无心磨床或大型无心磨床上常用静压轴承作为砂轮架主轴轴承。顺便提一下，国外引进的无心磨床，其砂轮主轴除了用上述两种轴承外，还有用精密的滚子轴承作为主轴轴承的，如瑞典、法国和日本等。第五节无心磨床常见故障与排除无心磨床在使用过程中，会出现某些故障，必须及时排除，才能继续正常工作。现将常见故障介绍如下： 导轮倒拖,在实际生产中经常发生，主要原因往往是磨削用量超过某一数值后，砂轮作用在工件的切削力克服了工件与托板、工件与导轮间的摩擦力，工件即反过来带动导轮旋转，出现导轮的倒拖现象。倒拖现象出现，不仅影响工件加工质量，而且使导轮电动机处于卸荷状态，有时甚至造成事故。 3.静力润滑的滑动轴承工作原理 采用静力润滑的滑动轴承称为静压轴承。静力润滑与动力润滑原理不同，静压轴承由外部的润滑油泵提供压力油来形成压力油膜，以承受载荷。虽然许多动压轴承亦用润滑油泵供给压力油，但其性质是不同的，最明显的是供油压力不同，静压轴承的供油压力比动压轴承高的多。