不对称三油腔动静压轴承设计及仿真验证

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1、精密制造与自动化2013年第4期；设计与开发；o不对称三油腔动静压轴承设计及仿真验证木杜雄(上海机床厂有限公司上海200093)摘要介绍了不对称三油腔动静压轴承的设计计算分为静压腔设计和动压面设计两步骤的设计思路。将静压腔的设计按四油腔静压轴承的设计公式计算；考虑到下油腔是动压面润滑油的来源，动压面的设计按包角为120。的径向滑动轴承设计公式计算，并建立了与设计手册中油膜压力变化规律相符的包角为120。径向滑动轴承的CFX有效模型。CFX模型边界条件修改后的仿真结果接近理论公式计算，验证了设计思路。关键词120。包角动静压轴承CFD仿真静压及动静压轴承的研究和应用最早可以追溯国内对

2、不对称三油腔动静压轴承的研究较少。其到1851年，法国人Girard在火车车轮轴承中第一中重庆大学江桂云采用Matlab软件和FluentCFD次采用了静压轴承。1947年Fuller连续发表了一系软件对其工作原理、温度场和油膜刚度等进行了分列关于静压轴承的设计计算文章，推动了静压轴承析，研究工作的重点是数值计算和CFD仿真。下的发展。为了适应更高转速、更高承载力及油膜刚面针对不对称三油腔动静压轴承结构特点提出其简度的要求，出现了将静压和动压两者优势结合在一单理论设计思路，并通过CFD软件进行仿真验证。起的动静压轴承，这种新型轴承一出现便迅速在各种机械中得到了广泛应用。1不对称三油

3、腔动静压轴承设计M．E．Mosin通过设置外循环通道将油腔内的压1．1不对称三油腔动静压轴承设计思路力均化，减少了摩擦功率，提升了动态性能⋯。Singh不对称三油腔动静压轴承如图1所示。它有3通过对矩形、椭圆、三角形等油腔形状的四油腔动个静压油腔和1个动压面，静压腔位于上、下方和静压轴承的动、静态特性分析，发现了采用合理的前方，与前静压腔对应的是动压面。在主轴转动之油腔形状及节流参数将会大大提高轴承性能。20前，具有较小油腔压力的前腔和较大油腔压力的上世纪7O年代后期，上海机床厂率先推出多油楔阶梯下腔通过封边面的作用形成静力平衡，这时主轴偏动静压轴承(DYNASTAT轴承)，形成H

4、SDB一1和向动压面所在的后方，其参数计算可在静压轴承计HSDB—R两个系列，在产品中获得了广泛的应算的基础上进行修正。当主轴转动之后，偏向动压用。采用3个深静压油腔和1个动压面的不对面的主轴与轴承之间形成的间隙满足主轴将油带入称三油腔动静压轴承，其结构最早出现在西德。2O的动压轴承楔形条件，其参数计算可在动压轴承计世纪7O年代，德国济根公司将不对称三油腔动静压算的基础上进行修正。由于下静压腔的油液是动压轴承应用到其轧辊磨床这类产品上，其油腔间带面润滑油的来源，下静压腔表面对应的部分中心角有周向回油槽。也就成为动压面的一部分，此时动压轴承计算的中经几十年的现场应用，不对称三油腔动静

5、压轴心角就大于结构中动压面所对应的中心角90。。液承具有径向承载能力大、油膜刚度高、抗过载体动力润滑滑动轴承计算采用了可查阅的参考文献能力强、回转精度高且结构简单便于加工生产中包角为120。的图表。主轴到达稳定运行后的偏心等特点，尤其适用于高效重负载轧辊磨削。率可由前腔油膜压力、主轴受的外载、包角为120。的液体动力润滑径向滑动轴承承载力等形成的平衡国家高档数控机床与基础制造装备重大专项资助(编号：2012ZX04002—91)方程得到。将主轴分为停止和运转两阶段，不对称杜雄不对称三油腔动静压轴承设计及仿真验证三油腔动静压轴承的理论计算就可分为3个静压轴对于机床主轴的轴承，相对间隙

6、~-2ho／d=0．0003～承油腔的计算和包角为120。的液体动力润滑径向0．0005左右，静压部分取相对间隙0．0005，该滑动轴承计算。值满足设计要求。3)偏心距计算旋转的主轴轴颈在外载荷的作用下，其轴心将向后侧偏移距离e形成收敛楔状间隙。根据前面的论述，动压面对应区域为包角120。的液体动力润滑径向滑动轴承区域，在图2所示的受力模型中，右侧的120。滑动轴承油膜动压面承受了前油腔油膜压力和外载荷中沿径向的磨削分力等。图1不对称三油腔动静压轴承1．2设计实例原始设计参数：主轴自重882N，额定工作载荷2000N，轴颈直径D=12cm，轴颈转速=1200r／min，油膜刚度要求

7、为^>13．5x10kgf／em。1．2．1不对称三油腔动静压轴承静压部分参数计算1)轴承长度图2轴颈受力分析简图(1～1．2)JD，取L=D=12cm；2)轴承半径间隙ho根据力的平衡方程，由动压面产生的油膜承载根据经验取h0=O．003cm；力Fl为：3)封油边尺寸a和bFl=[(F2+)+G](1)轴向a=0．1D=-I．2cm，周向b=0．1D=I．2cm；式(1)中，为前静压腔对主轴产生的水平合4)每个油腔的有效承载面积。力，根据静压轴承计算得F2=1002