Nanosys-1000机床静压止推轴承流场分布规律及承载特性

非球面曲面光学零件在 民用光电产品、国防军工以及航空航天等领域都有着重要的应用。光学精密零件加工需要专用加工设备--超精密加工机床 1 ]↑年来，随着大尺寸光学精密零件的应用越来越广泛，超精密机床也正在向着大型、重载方向发展[3 ]。Nanosys-1000超精密加工机床是为了加工最大直径为 1 m，面形精度为 0.3 m的非球面曲面光学零件而设计的。液体静压止推轴承作为超精密加工机床上的关键支承部件之-，起着支承工作台，保证工作台具有高刚度和大承载力的作用 ]。工作 台的承载特性及 油垫 内的流场分布-直是液体静压止推轴承的重点研究内容，国内外学者以理论分析为基础，借助实验和有限元方法对此做了大量的研究工作。Johnson等 对静压止推轴承油腔深浅进行了研究，发现浅油腔的油垫比深油腔的油垫具有更好的承载特性 ；Shao等9]对重型止推轴承的温度厨行了研究，得出油膜的剪切作用产生的热量是温升的主要来源；Satish等对毛细管节流下圆形、矩形和环形 3种油腔的承载特性进行 了研究 ，发 现环形油腔的承载能力和油膜刚度最大，矩形油腔次之，圆形油腔最小；姜继海等Elo]研究了变黏度对环形静压支承特性的影响，发现对于高速静压支承来说 ，黏度变化会带来压力的降低，使支承的承载力下降；魏旭壕等l1]对静压支承系统工作转台的动态特性进行了研究，发现油腔数目越多，工作转台振动频率越大。

从研究成果看，对扇形结构油垫的止推轴承的承载特性 、油垫的流场分布以及大尺寸 、大承载力和高精度的液体静压止推轴承的研究较少。本文以Nanosys-1000超精密加工机床上的液体静压止推轴承为研究对象，采用理论分析、有限元数值仿真和实验相结合的方法 ，对大尺寸、大承载力和高精度静压止推轴承扇形油垫的流场分布和承载特性进行了研究 。

2 液体静压止推轴承流场仿真Nanosys-1000超精密加工机床的液体静压支承设计的节流器类型均为凶节流器，液体静压止推轴承的三维简化模型如图 1所示 ，其 中主轴未画出，该静压止推轴承共有 12个均布的油垫 ，油垫形状为扇形 。工作过程 中，6个为承压油垫 ，6个为备用油垫 ，液压系统提供 的稳定压力油经节流器的节流作用进入油腔进而将工作台浮起，工作台在主轴的带动下沿主轴轴心做回转运动。

由图 1知，止推轴承为轴对称结构 ，以其中的- 个油垫作为流场分析的对象，进而得到整个液体静压止推轴承的承载能力和所需润滑油流量。

用 Fluent的前 处 理 器 Gmabit建立 的 h为转工图 1 液体静压止椎轴承三维模型Fig.1 Three-dimensional model of hydrostaticthrust bearing第1期 夏毅敏，等：Nanosys-1000机床静压止推轴承流场分布规律及承载特性 147图 5所示为 P -1.5 MPa和 h-34.5 m 时得到的油膜上表面压力分布图，从图中可以看出，油腔区域 的压力 比较 均匀 ，大 约在 3.2×10 Pa左右，压力沿着四周的封油边不断减小，到出口处降低为大气压力，润滑油对油膜上表面的作用力即油膜承载力 F-915.5 N，则 6个油垫的总承载能力是 5 493 N。

图 5 油膜上表面压力分布图Fig.5 Pressure distribution on oil film upper surface图6所示为 P -1.5 MPa，不同油膜厚度下，油膜上表面沿 X轴(即径向)及过油膜上表面几何中心点沿 y轴方向的压力分布图。从图中可以看出，不同油膜厚度下，油膜上表面的压力分布规律是-致的，即在油腔区域压力分布是均匀相等，沿着封油边，由里向外，压力线性下降，直到出口处与大气压相等。且油膜厚度越小，油腔压力越大，封油边压力降梯度也越大，h分别为 2O、28、36m时 ，对应的油腔压力 P为 8.02×10 、4.52×10 、3.05×10 Pa。在节流凶正对的油腔中心半径为 r的很小区域内，压力分布 比油 腔均匀压力稍大，这是由于压力油经过节流小孑L后高速射向节流凶正对着的油膜上表面中心区域，然后再向四周散开，使得这个区域的压力比油腔的均匀压力稍 大- 些。h为 20、28、36 m 时 ，r为1.5、1.7、2.0 mm油腔最高压力 比油腔均匀压力分别高 0.08 、2.65 、1.95 ，h为 2O、22 m时，油腔最高压力与油腔均匀压力相差不大，所以在图 6中未显现出压力突起部分。

图 7所示为在不同进油压力下，油膜承载能力与油膜厚度的关系曲线，从图中可以看出，同-进油压力下，随着油膜厚度的减小，承载能力不断r/m(a)不同油膜厚度下压力沿径向 (脚曲)分布图(a)Pressure distribution along radial direction(Xaxis)under diferent oil film thicknesses987日 65432与y/m(a)不同油膜厚度下压力沿中径切线方向 (y轴)分布图(a)Pressure distribution along Y axis direction underdiferentoilfilmthicknesses图 6 P 1.5 MPa时油膜上表面压力分布Fig.6 Pressure distribution on surface of oil filmthickness under P。- 1.5 MPaOil film thickn ess/gm图 7 不同输入压力下 ，油膜承载力与油膜厚度的关系Fig.7 Relationship of 0il film bearing capacity and oilfilm thickness under different input oil pressures增大，且油膜厚度越小，承载能力递增的越大，即油膜厚度越小，止推轴承的刚度越大。同-油膜148 光学 精密工程 第21卷厚度下，输入油压越大，油膜的承载能力也越大，且油膜厚度越小 ，不 同进油压力下 的承载能力相差越大 。P -1.3 MPa时 ，h为 20、28、36/，m对应的F分别为 1 833、1 170、818 N，当 增大到1.5 MPa时 ，对 应 油 膜 厚 度 的 F 分 别 增 大15.06 、6.70%、7.60 9/6；当 增大到 1.7 MPa时，对 应 油 膜 厚 度 的 F 分 别 增 大 18.26 、14.50 、9.18 ；当 P 增大到 1.9 MPa时，对应油膜厚度的 F分别增大 25.76 、20.67 、17.54 。

图 8 不同输入油压下流量与油膜厚度关系曲线Fig.8 Relationship between flow and oil film thicknesses under different input oil pressures图 8所示为不同进油压力下，所需润 滑油流量与油膜厚度的关系曲线，从图中可以看出，同-进油压力下 ，油膜厚度越大 ，所需润滑油流量也越大 ，且随着油膜厚度的增大 ，流量的增大幅度不断减小 ；同-油膜厚度下 ，输入油压越大 ，所需流量也越大。P -1.3 MPa时，h为 20、28、36m对应的单油垫所需流量 q。分别为 0.146、0.179、0.19 L/rain，当 p 增大到 1.5 MPa时 ，对应油膜厚度 的 流 量 q。分 别 增 大 19.86 、11.73%、l0.53 ；当 户 增大到 1.7 MPa时，对应油膜厚度的流量 gc分别增大 21.23 、18.99 、17.37 ；当 P 增大到 1.9 MPa时，对应油膜厚度 的流量q。分别增大 31.51 、28.48 、25.26%。

4 承载特性 实验研究4.1 实验平台为研究所设计的 Nanosys～i000超精密加工机床主轴上止推轴承的承载特性，并验证仿真结果的正确性，对 Nanosys-1000超精密加工机床主轴系统进行 了-系列的实验。在设计制造止推轴承时，考虑到实验需要，在 3个轴对称的油腔内各开有-个与外界相通的凶，用于连接压力表和压力感测器来监测 3个油腔内压力的大小 ～主轴系统安装在实验台上，连接好电机和供油系统，并将标定好的传感器及实验所需的仪器仪表连接好 ，组装好的实验平台如图 9所示。图 9在进行液体静压止推轴承承载性能等方面的实验时 ，为方便采集压力、流量和温度等参数的实验数据，并准确地记录下来 ，为实验平 台开发 了配套 的测试系统。该测试系统不仅能实时显示所监测参数的当前值，还能显示各参数随时间变化的历史曲线，便于操作人员更直观地观察各参数的变化情况，以判断出主轴运行状况是否 良好 。

图 9 液体静压主轴试验台Fig.9 Test-bed of hydrostatic thrust bearing△ 口 4.2 实验及数据处理本实验 目的主要研究液体静压止推轴承的承载特性，实验过程中通过改变进油压力和负载大小，得出不同进油压力条件下，负载与油腔压力的变化关系以及油膜厚度与流量之间的变化关系。

实验过程 中，进油压力通过减压 阀来调节 ，选取1.5 MPa和 1.9 MPa作 为实验油压值 。在每种进油压力下，分别 给止推轴承加载 4次不 同的负载(包括工作 台自重)：7 500、8 500、9 500、10 500N。通过测试软件记录流量、油腔压力等参数数据，并通过读取千分表的数值记录被测油腔压力的 3个油垫处工作台浮起高度即油膜厚度值。实验数据显示相同进油压力、同-负载情况下记录的3个油垫的实验数据基本相同，说明各油垫受载比较均匀，工作台能平稳的浮起，不发生偏斜，该液体静压止推轴承设计良好。

第1期 夏毅敏，等：Nanosys-1000机床静压止推轴承流场分布规律及承载特性 149N图 1O 油膜承载力与油 腔压力的关系Fig.1 0 Relationship between oil film bearing capacity and pressure of oil chamber实验测得负载 F为 7 500、8 500、9 500、10500 N对应 的油腔压 力 P为 0.48、0.53、0.60、0.67 MPa。图 10为油膜承载力 与油腔压 力关系图，从图中可以看出，实验过程中测得的止推轴承的负载即油膜承载力与油腔压力近似成直线关系，与仿真结果比较吻合，且油膜承载力与油腔压力的直线关系不随进油压力的变化而变化，即油腔压力只 由负载决定 。实验测得 P -1.5 MPa，F为 7 500、8 500、9 500、10 500 N 时， 为 28、26.3、23.5、22.4 m，对应止推轴承的流量 q为1.19、1.17、1.13、1.10 L/min；P -1.9 MPa时 ，对应负载测得的 h为 31.2、27.9、26.2、23.5 m，对应 止 推 轴 承 的 q为 1.42、1.37、1.33、1.29L/min。图 11为实验测得 油膜厚度与止推轴承所需总流量关系曲线图，从图中可以看出，同-输入油压下，润滑油的流量随着油膜厚度的增大而增大。相同油膜厚度下，进油压力越高，流量越大。