孔式环面深浅腔液体动静压轴承的结构及稳定特性研究

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Study on the Structure and Stability Characteristic of Annular Hole DepthCavity Liquid Hybrid BearingDENG Lifan(Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic，Changsha Hunan 410151，China)Abstract：Annular hole depth cavity liquid hybrid bearing has the characters that high precision，stiffness，longevity and fine vi-bration absorber anti-seismic，SO it is widely used in spindle of precise and hi gh speed machine too1.The structure characteristics andworking mechanism of the dynamic and static pressure bearing were introduced，and its rigidity was analyzed.In order to meet produc-tion need of continuous usage for many years without repairng，the stability criterion was put forward for the dynamic and static pres-sHre bearing。

Keywords：Annular hole depth cavity liquid hybrid bearing；Structure；Rigidity；Stability相比滚动轴承而言，由于液体动静压轴承具备阶梯油压效应，使得主轴在空载或负载时都悬于轴承的中心，考虑主轴和轴承动结合面的加工圆度误差，液体动静压轴承的径向跳动小于0.0O2 mm，所以具有很高的旋转精度；而且，液体动静压轴承的刚度非常大，几乎不产生弹性变形，油膜还具备吸振抗震性，故相对滚动轴承的支承精度要高得多，所以液体动静压轴承广泛用在精密及高速加工机床的主轴上。

1 动静压轴承的结构及工作性能(1)液体动静压轴承综合了动、静压轴承的优点，消除了这两种轴承的不足。其特点是：采用整体式轴承以及表面深、浅腔结构的油腔。常用的孔式环面节流深浅腔动静压轴承的结构简图见图 1。

I / J， L f 广1 ，轴向回油槽图 1 结构简图轴承工作时，静压油箱的油泵将主轴油以-定压力从 3～4个进油 口打人深 、浅腔结构的油腔中；浅腔兼备节流功能，深腔与浅腔形成静压腔，产生静压力P，△p。此时，主轴被-层压力油膜浮起，并悬浮在轴承之间，不会发生机械摩擦与磨损，压力油经降压后通过两端的轴向封油面排 出，呈现出静压效应。当电机驱动主轴旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动静压承载油膜，轴承成为具有动压压力场的动压滑动轴承，呈现出动压效应。与 3块、5块瓦相 比，动静压轴承为整体式结构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性连接，且油膜刚度得到充分的利用。主轴工作时，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加 ，有很强的承载能力。

(2)油腔的具体结构见图2，浅腔加工成阿基米德螺旋线形 ，既构成油契同时与轴颈构成节流器，h为入口间隙，h 为出口间隙， 为浅腔油契的宽度；进油凶直径与主轴间隙组成的圆柱面和浅腔构成两次节流。而深腔加工成矩形，用作形成主油契 ，油契深度 ，油契宽度 日，。

如果不计轴的重力，各油腔的油压相等并保持平衡，主轴悬浮在轴承中心，各油腔的封油面与轴颈的间隙均为h。；当轴承受到外载 (包括轴的重力)F，收稿日期 ：2011-12-26作者简介：邓力凡 (1967～)，男，学士，高级工程师，研究方向为机械设计与自动化。E-mail：13974818237###163.con。

第 1期 邓力凡 ：孔式环面深浅腔液体动静压轴承的结构及稳定特性研究 。81·轴颈发生偏移 e，油腔的封油面与轴颈的间隙发生变化，由于浅腔作为节流器表现出的效果：根据 QCTA△pcTA (P -p ) (1)式中：P 为深腔油契压力；P 为进油压力 ；A为浅腔作节流器的通流面积；C 为节流系数 ；Q为节 流通量。

有p p - Q (2)图 2 具体结构可见：当轴颈发生偏移时，各深腔的润滑油流量发生改变，使深腔油契压力发生变化，又建立起新的平衡。

由于动静压轴承正常工作时显示动压效应，根据- 个油契承载力p。： 0.127I-xD nBT2L-C，(3)n 0式中：/x为润滑油 的黏度 ；BB ：，为油 契宽度；h。为封油面与轴颈的间隙；C。为侧流系数。当电机驱动主轴旋转时，由于深腔油契压力P 大于浅腔油契压力 apP -P ，所 以会产生阶梯油压效应 ；实际上深腔油契宽度 大于浅腔油契宽度 曰。，故形成主油契 ，这种结构的动静压轴承由于油契总宽度的加大，比纯浅腔动静压轴承的承载能力高了很多。

从式 (3)可以看出：h 越小，轴承的承载能力越高；但轴承间隙h。小于主轴挠度时会出现主轴与轴承边缘 ，所以不能过小 ，这样才能形成油膜，它才对轴颈的圆度误差起均化作用，使加工的圆度误差小于轴颈的圆度误差；轴承间隙应为：h。 ，这种动静压轴承的径向跳动不大于 0.002 mm；同时主轴轴颈和主轴转速的加大都能提高轴承的承载能力。

2 动静压轴承动态工作的稳定性动静压轴承的动态工作稳定性撒于其刚度K：F (4)e式中：F为外部载荷；e为轴径中心的偏移量。

而pr I (5)式中：A 为油腔的有效承载面积；P 和 P 分别为某- 深腔油契在载荷变化前后的压力；Q 和 Q 分别为某-深腔油契压力在载荷变化前后的流量；A为浅腔作节流器的通流面积。

根据流量连续性方程 ：QAv式 (5)变换为： rlp p r2l 根据雷诺系数的公式：Re：4-vRIX对于该轴承：Re：4-vR： ：1 100 (6)4 式中：A有(h。-Ie)z，为节流器 的有效通流面积 ；l为浅腔的长度；X为有效周界长度。

所以：75筹 5 ㈩将式 (7)代入式 (5)，整理得：K(50cTfAd-/南 ) (8)式 (8)就是孔式环面节流深浅腔液体动静压轴承的刚度数学模型。

从式 (8)可见：A 、/.x、X设计时取大值，轴承的刚度大，这是设计时就可确定的i而轴承间隙 h。

大，轴承的刚度小；e取大值时，相对轴承的刚度偏大，说明该种轴承刚性好；主轴轴颈d和主轴的转速n对轴承的刚度几乎没影响。

而轴承间隙 h 是设计 时的关键指标 ，轴承间隙与刚度的关系曲线见图3。

可见 ；当 h 0.03～0.04mm时，动静压轴承的刚度较大且工艺性最好 ，又能保证有- 定的油膜。

l 3 4 5轴承间隙，I×10。 mm)图 3 轴承间隙与刚度如果在主轴切削加工的过程 中，切削力 (即 F)不断变化，主轴轴颈中心就会产生振动且振幅为 e，那么是不是会产生加工误差呢对-个确定的动静压轴承，其主轴固有频率是：- - 几∞ ∞ U1- ，而 √ ；m是-定的， 撒V 于动静压轴承的刚度K和阻尼比 ，主轴轴颈中心趋于回归平衡运动就是振源。既然有振源必然会影响系(下转第i10页)· 110· 机床与液压 第4l卷在进入首页后 ，可以看到对系统所有的项 目模型的预览以及简单介绍。然后，点击相应的项 目就可以进入相应的项目目录，在目录中，允许用户对项目做简单的预览。但是 ，如果用户需要对项目进行个人更改时如收藏、参数化驱动等就需要先申请用户进行登录，然后根据相应的权限对项目的零件目录进行相应的更改。另外，系统管理方面分为用户的管理以及整个项 目的管理。对于用户的管理，可以简单地建立用户名汇总表，对用户进行添加、删除以及权限更改等操作。而对于项目或零件的管理又有管理员的总体管理以及 用户 对个 人零件 库 的管 理。系统采 用 C#asp.net开发，对系统的实现过程如图5所示。

系统从首页到各个功能页在 Windows平台下能够运行正常，而且对于IE与Firefox浏览器的支持都能够达到要求。

5 结束语研究 了基于 Web的 SolidWorks协同设计 系统，首先要解决的问题是 SolidWorks API的熟练应用。其次针对系统的结构，对系统总体框架、零件参数化驱动及属性信息提取关键技术和网络协同设计系统数据库访问技术进行了深入的分析。最后基于以上理论知识实际应用到 ASP.NET的协同设计系统。基于 Web的SolidWorks协同设计系统是-种面向服务的分布式应用，随着现代制造业逐渐向网络化和信息化方向发展，利用Internet对SolidWorks进行二次开发使得中小型企业能够直接通过网络进行三维图形零件库的在线动态浏览 、零件参数化驱动及属性信息的提取等，加强了企业之间的交流和合作，节约了企业的成本和提高了产品设计效率。

该系统的实际应用目前还在测试阶段 ，而且内部很多功能上问题以及安全上的问题还有待于进-步解决。但是，通过该系统，已经能够完成-个协同设计系统所需要的大多数功能。