7章流体静压润滑
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑，是将高压润滑剂输送到 支承油腔内，形成具有足够压力的润滑膜， 以支承轴或滑动导轨面等运动件承受外力的 作用。流体静压润滑有三大优点：
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （1）即使运动部的速度为零，两个表 面也能被一层完整的流体膜所隔开，克服了 流体动压润滑的支承在 起动、停车或低速 状态下，无法形成足够压力油膜而出现半干 摩擦，导致寿命短的缺点。
§7-2 补偿器及设计参数
各种节流器装在供 油装置压力管线与轴承 凹槽(油腔)之间。 1——小孔节流器 2——毛细管节流器
3——滑阀反馈节流器
4——双面薄膜反馈节流器
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc 根据流体力学有关公式，求得各种节流器流量 计算式如下： 小孔节流器 毛细管节流器 滑阀反馈节流器 双面薄膜反馈节流器
这种圆形立式推力轴承系 统，将外半径为r0的轴放在一 个平面瓦块上，瓦块上有一个 半径为r1的圆形凹槽油腔，凹 槽与轴同心，将压力为pS的油 送入油腔。凹槽的深度要足以 保证凹槽内全部油的压力为pS。 r0- r1的环形面积称为油封面， 高压油从油腔向油封面流出。
§7-1 立式推力轴承的分析
研究半径为r、径向宽度 为dr、夹角为dθ的单元微元体， 通过微元体的流量δq可根据流 量公式给出。 由于只有压力流量，则：
128百度文库c
2、设计参数α和节流比β 设计参数α为压力差与供油压力之比
pm ps / pm
设节流比
则
p s / pm
1
设计参数α的计算公式可根据静压轴承系统的结 构及所采用的节流器而推导出，现以立式推力轴承及 毛细管节流器为例，说明其推导过程。
2、设计参数α和节流比β 显然，流人与流出量必须相等，即Qc=Q0于是 可得到： d c4 pm ps Wh 3
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc d c4 pm ps
Qc
由以上可见，四种节流器的作用在于当特性 尺寸一定时，使流量Qc与压力差成正比。当Qc减 小时，压力差减小，因为供油压力pm为常量，故 油腔压力ps必然增大；当油膜厚度h减小时，流经 封油面的流量减小，这时油腔压力增大，使h恢复 到原来的厚度。这就是定压供油系统中使用节流 器的原因。
定 压 供 油 系 统
2、定量供油系统
系统的各油腔流量恒定，随油膜厚度变 化自动调节油腔压力来适应载荷的变化。定 量供油方式有两种：一是由一个多联泵分别 向油腔供油、每个油腔由一个泵单独供油； 二是集中由一个油泵向若干定量阀或分流器 供油后再送入各油腔。
定量供油系统
§7-1 立式推力轴承的分析
§7-1 立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12
W 3 r02 r12
Q
h3
方程表示载荷随粘度、油的流量、油膜间隙和半 径而变化的规律，若粘度和半径不变，则 W Q h 3 。 如果通过轴承的流量不变，Wh3也不变，即载荷增加 时，油膜厚度减小很少，轴承刚度较大。定量供油系 统就是解决这个问题的。 实际上较常用的流体静压轴承是定压供油系统。
3、补偿器的作用 假设有一个载荷W指向凹槽4， 轴将移向凹槽4而背离凹槽2，在 凹槽4周围区域内，平均油膜厚度h将减小。得出流 量为： K4 3 Q4 Wh 4
K4为取决于凹槽几何形状的常数，而W为由 凹槽中的压力产生的载荷分量。
3、补偿器的作用 如果补偿器为定量供油系统， 则当h4减小时，凹槽中的压力ps4 必定增加，以便将同量的油压出。因为
气体润滑的缺点： (1)承载能力低，一般为105N／m2，而液体轴承 为107N／m2。 (2)容易发生自激振荡而失去稳定性，一般要采 取能克服这个缺点的设计方法。 (3)由于气体润滑膜要比液体润滑膜薄得多，因 此对轴承的表面粗糙度和加工精度的要求比液体 轴承高得多，以防止更多的微凸体接触。
§7-3 气体润滑轴承
流体动压气体轴承的工作原理与液体轴承完 全相同，也就是由运动表面把流体带人收敛间隙 内，从而产生动压力。但是由于气体的粘度比液 体小得多(空气的粘度仅为润滑油的千分之一)， 因此，气体轴承的动压力和承载能力比液体小得 多，而气体轴承的摩擦阻力或摩擦系数则很小。 气体轴承也可以做成静压轴承。
§7-1 立式推力轴承的分析
将ps用W代替，并 代人式中得：
Wh Q 3 r02 r12
3
W 3 r02 r12
Q
h3
§7-1 立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12
W 3 r02 r12
Q
h3
方程表明承载量随凹槽压力、凹槽半径和轴 承半径而变化，即当轴承结构尺寸固定后，若载 荷增加，油腔压力应当相应增大，以防止油膜厚 度过分减小(即要求提高轴承刚度)。定压供油静压 轴承系统采用不同的补偿器(节流器)就是用来解决 这个问题的。
ln r0 h3 ps Q 6 ln r
§7-1 立式推力轴承的分析
从而得：
Q
h3 ps
6 ln
ps ln r0 r0
r0
h3 p
6 ln r0 r
r
p
r r1
r0 r r1
§7-1 立式推力轴承的分析
压力分布为对数曲线， 承载量W就是压力沿整 个轴承表面的积分。即：
h 3 dp q rd 12 dr
负号表示流量沿压力减小的方向流动。
§7-1 立式推力轴承的分析
此流量对称于原点，而 且径向流量Q从内半径r1到 外半径r0保持不变，所以Q 的计算式为：
h 3 dp Q 2r 12 dr
§7-1 立式推力轴承的分析
油膜厚度h为一定值，整 理后得：
d 04 2 pm ps Qc 4
d c4 pm ps Qc 128Lc
hc3d c pm ps Qc 6L0
Qc
hc3 pm ps
rc 2 6L0 r c1
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc 式中： pm——供油压力； ps——支承空载时的油腔压力； dc——毛细管直径； Lc——毛细管长或滑阀的节流长度； α——小孔流量系数，α=0.6~0.7； ρ——润滑油的密度； hc——滑阀体和滑阀之间的节流半径间隙，或薄 膜处于平直状态下的薄膜和圆台之间的间隙； rc1——圆台进油孔半径； rc2——圆台半径。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑的缺点是须使用一套可靠 的供油装置，增大了机械设备的空间、重量 及费用。
流体静压润滑有两种基本类型。
1、定压供油系统
系统的供油压力恒定，压力大小由溢流 阀调节，集中由一个泵向各节流器供油，再 分别送入各个油腔。依靠油液流过节流器时 流量改变而产生的压力降来调节各个油腔的 压力，以适应载荷的变化。下图是目前常用 的定压供油静压支承系统。
h 3 dr dp Q r C 6 r
C为常数。对上式积分后得：
h 3 p Q ln r C 6
§7-1 立式推力轴承的分析
在外半径r= r0时，p=0，所以
C Q ln r0
因此：
ln r h 3 p Q 0 6 ln r
在内半径r= r1处，压力p=ps(进油压力)，所以：
Q ps h 3 η不变时，显然，当W∝ps时，Q ∝ Wh3。因此， 如果流量不变，则
1 W 3 h
所以，回复载荷随油膜厚度减小量的立方而增大。
3、补偿器的作用 如果补偿器C4为定压供油系统， 3 则当h4减小时，从凹槽中流出的流量随 h4 而减 小。如果流量减小，则节流器的压力降 pm ps 也减小。因为岐管压力pm为定值，凹槽压力ps4将 随h4的减小导致流量的减小而增大，即对轴形成 一个推力。 当h4减小时，与它相对的h2必然增大。又由于 节流器C2的作用，ps2相应减小，对轴形成一个拉 力，因此，轴同时受推和受拉而回到原位。
§7-3 气体润滑轴承
气体轴承的优点： (1)摩擦力很小； (2)如果使用空气，其成本低； (3)润滑剂(空气)对环境无污染； (4)由于气体不像液体那样在高温时沸腾产生汽 化，在低温下也不会凝固，因此气体轴承能适用 于高、低温工况。 (5)不会产生气穴现象，因此润滑膜始终连续。
§7-3 气体润滑轴承
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （2）可适应较广的速度范围，且运动精 度高。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （3）抗振动性能好，刚度大。 由于在静压润滑中油膜厚度h随载荷的立 方根而变化，而动压润滑中油膜厚度h随载荷 的平方根而变化。因此，静压润滑的轴承刚 度比正常动压润滑的轴承刚度大得多，所以 静压润滑能抑制一般的流体动压润滑轴承中 的油膜振荡。
Qc 128Lc 3 r02 r12
3
经整理后得：
4 Lh 48d c4 r0 / r1
pm 1.5 。 ps
通常取α=0.5，则节流比β=1.5，或
其他节流器及静压轴承的设计计算公式可从一 般的流体静压支承资料及有关设计手册中查到。
3、补偿器的作用 研究节流器在一个流体静压 径向轴承中的作用。如图轴承中 有4个凹槽(油腔)，凹槽中的压力为ps，在凹槽与岐 管(其压力为pm)之间有补偿器Cl，C2，C3，和C4。当 轴上无载荷，即W=0时，由于4个槽中的压力相同， 因此合力为零；轴与轴承同心，即各个方向的间隙 相同。
W p sr
2 1 2
0
r0
r1
r0 ln r0 r 2 prddr p s r1 2 rdr r1 ln r r 0 1
2 2 r0 2 1 r r 2 2 1 0 p s r1 r ln r0 r dr p s r0 r1 ln r r 2 ln r r 0 1 0 1
§7-3 气体润滑轴承
以空气作为轴承的润滑剂有很大的优点，早 在1854年Him就已提出这种想法，但直到1897年 Kinsburg才证实了这一建议是可行的。目前，气 体轴承在工业中用得很多，已经有效地用于机床 主轴、测量仪器、透平机械、陀螺仪、牙钻等领 域。由于气体无污染，能用于任何温度，在某些 特殊领域中，气体轴承已成为惟一可应用的轴承。
流体静压润滑，是将高压润滑剂输送到 支承油腔内，形成具有足够压力的润滑膜， 以支承轴或滑动导轨面等运动件承受外力的 作用。流体静压润滑有三大优点：
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （1）即使运动部的速度为零，两个表 面也能被一层完整的流体膜所隔开，克服了 流体动压润滑的支承在 起动、停车或低速 状态下，无法形成足够压力油膜而出现半干 摩擦，导致寿命短的缺点。
§7-2 补偿器及设计参数
各种节流器装在供 油装置压力管线与轴承 凹槽(油腔)之间。 1——小孔节流器 2——毛细管节流器
3——滑阀反馈节流器
4——双面薄膜反馈节流器
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc 根据流体力学有关公式，求得各种节流器流量 计算式如下： 小孔节流器 毛细管节流器 滑阀反馈节流器 双面薄膜反馈节流器
这种圆形立式推力轴承系 统，将外半径为r0的轴放在一 个平面瓦块上，瓦块上有一个 半径为r1的圆形凹槽油腔，凹 槽与轴同心，将压力为pS的油 送入油腔。凹槽的深度要足以 保证凹槽内全部油的压力为pS。 r0- r1的环形面积称为油封面， 高压油从油腔向油封面流出。
§7-1 立式推力轴承的分析
研究半径为r、径向宽度 为dr、夹角为dθ的单元微元体， 通过微元体的流量δq可根据流 量公式给出。 由于只有压力流量，则：
128百度文库c
2、设计参数α和节流比β 设计参数α为压力差与供油压力之比
pm ps / pm
设节流比
则
p s / pm
1
设计参数α的计算公式可根据静压轴承系统的结 构及所采用的节流器而推导出，现以立式推力轴承及 毛细管节流器为例，说明其推导过程。
2、设计参数α和节流比β 显然，流人与流出量必须相等，即Qc=Q0于是 可得到： d c4 pm ps Wh 3
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc d c4 pm ps
Qc
由以上可见，四种节流器的作用在于当特性 尺寸一定时，使流量Qc与压力差成正比。当Qc减 小时，压力差减小，因为供油压力pm为常量，故 油腔压力ps必然增大；当油膜厚度h减小时，流经 封油面的流量减小，这时油腔压力增大，使h恢复 到原来的厚度。这就是定压供油系统中使用节流 器的原因。
定 压 供 油 系 统
2、定量供油系统
系统的各油腔流量恒定，随油膜厚度变 化自动调节油腔压力来适应载荷的变化。定 量供油方式有两种：一是由一个多联泵分别 向油腔供油、每个油腔由一个泵单独供油； 二是集中由一个油泵向若干定量阀或分流器 供油后再送入各油腔。
定量供油系统
§7-1 立式推力轴承的分析
§7-1 立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12
W 3 r02 r12
Q
h3
方程表示载荷随粘度、油的流量、油膜间隙和半 径而变化的规律，若粘度和半径不变，则 W Q h 3 。 如果通过轴承的流量不变，Wh3也不变，即载荷增加 时，油膜厚度减小很少，轴承刚度较大。定量供油系 统就是解决这个问题的。 实际上较常用的流体静压轴承是定压供油系统。
3、补偿器的作用 假设有一个载荷W指向凹槽4， 轴将移向凹槽4而背离凹槽2，在 凹槽4周围区域内，平均油膜厚度h将减小。得出流 量为： K4 3 Q4 Wh 4
K4为取决于凹槽几何形状的常数，而W为由 凹槽中的压力产生的载荷分量。
3、补偿器的作用 如果补偿器为定量供油系统， 则当h4减小时，凹槽中的压力ps4 必定增加，以便将同量的油压出。因为
气体润滑的缺点： (1)承载能力低，一般为105N／m2，而液体轴承 为107N／m2。 (2)容易发生自激振荡而失去稳定性，一般要采 取能克服这个缺点的设计方法。 (3)由于气体润滑膜要比液体润滑膜薄得多，因 此对轴承的表面粗糙度和加工精度的要求比液体 轴承高得多，以防止更多的微凸体接触。
§7-3 气体润滑轴承
流体动压气体轴承的工作原理与液体轴承完 全相同，也就是由运动表面把流体带人收敛间隙 内，从而产生动压力。但是由于气体的粘度比液 体小得多(空气的粘度仅为润滑油的千分之一)， 因此，气体轴承的动压力和承载能力比液体小得 多，而气体轴承的摩擦阻力或摩擦系数则很小。 气体轴承也可以做成静压轴承。
§7-1 立式推力轴承的分析
将ps用W代替，并 代人式中得：
Wh Q 3 r02 r12
3
W 3 r02 r12
Q
h3
§7-1 立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12
W 3 r02 r12
Q
h3
方程表明承载量随凹槽压力、凹槽半径和轴 承半径而变化，即当轴承结构尺寸固定后，若载 荷增加，油腔压力应当相应增大，以防止油膜厚 度过分减小(即要求提高轴承刚度)。定压供油静压 轴承系统采用不同的补偿器(节流器)就是用来解决 这个问题的。
ln r0 h3 ps Q 6 ln r
§7-1 立式推力轴承的分析
从而得：
Q
h3 ps
6 ln
ps ln r0 r0
r0
h3 p
6 ln r0 r
r
p
r r1
r0 r r1
§7-1 立式推力轴承的分析
压力分布为对数曲线， 承载量W就是压力沿整 个轴承表面的积分。即：
h 3 dp q rd 12 dr
负号表示流量沿压力减小的方向流动。
§7-1 立式推力轴承的分析
此流量对称于原点，而 且径向流量Q从内半径r1到 外半径r0保持不变，所以Q 的计算式为：
h 3 dp Q 2r 12 dr
§7-1 立式推力轴承的分析
油膜厚度h为一定值，整 理后得：
d 04 2 pm ps Qc 4
d c4 pm ps Qc 128Lc
hc3d c pm ps Qc 6L0
Qc
hc3 pm ps
rc 2 6L0 r c1
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc 式中： pm——供油压力； ps——支承空载时的油腔压力； dc——毛细管直径； Lc——毛细管长或滑阀的节流长度； α——小孔流量系数，α=0.6~0.7； ρ——润滑油的密度； hc——滑阀体和滑阀之间的节流半径间隙，或薄 膜处于平直状态下的薄膜和圆台之间的间隙； rc1——圆台进油孔半径； rc2——圆台半径。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑的缺点是须使用一套可靠 的供油装置，增大了机械设备的空间、重量 及费用。
流体静压润滑有两种基本类型。
1、定压供油系统
系统的供油压力恒定，压力大小由溢流 阀调节，集中由一个泵向各节流器供油，再 分别送入各个油腔。依靠油液流过节流器时 流量改变而产生的压力降来调节各个油腔的 压力，以适应载荷的变化。下图是目前常用 的定压供油静压支承系统。
h 3 dr dp Q r C 6 r
C为常数。对上式积分后得：
h 3 p Q ln r C 6
§7-1 立式推力轴承的分析
在外半径r= r0时，p=0，所以
C Q ln r0
因此：
ln r h 3 p Q 0 6 ln r
在内半径r= r1处，压力p=ps(进油压力)，所以：
Q ps h 3 η不变时，显然，当W∝ps时，Q ∝ Wh3。因此， 如果流量不变，则
1 W 3 h
所以，回复载荷随油膜厚度减小量的立方而增大。
3、补偿器的作用 如果补偿器C4为定压供油系统， 3 则当h4减小时，从凹槽中流出的流量随 h4 而减 小。如果流量减小，则节流器的压力降 pm ps 也减小。因为岐管压力pm为定值，凹槽压力ps4将 随h4的减小导致流量的减小而增大，即对轴形成 一个推力。 当h4减小时，与它相对的h2必然增大。又由于 节流器C2的作用，ps2相应减小，对轴形成一个拉 力，因此，轴同时受推和受拉而回到原位。
§7-3 气体润滑轴承
气体轴承的优点： (1)摩擦力很小； (2)如果使用空气，其成本低； (3)润滑剂(空气)对环境无污染； (4)由于气体不像液体那样在高温时沸腾产生汽 化，在低温下也不会凝固，因此气体轴承能适用 于高、低温工况。 (5)不会产生气穴现象，因此润滑膜始终连续。
§7-3 气体润滑轴承
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （2）可适应较广的速度范围，且运动精 度高。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （3）抗振动性能好，刚度大。 由于在静压润滑中油膜厚度h随载荷的立 方根而变化，而动压润滑中油膜厚度h随载荷 的平方根而变化。因此，静压润滑的轴承刚 度比正常动压润滑的轴承刚度大得多，所以 静压润滑能抑制一般的流体动压润滑轴承中 的油膜振荡。
Qc 128Lc 3 r02 r12
3
经整理后得：
4 Lh 48d c4 r0 / r1
pm 1.5 。 ps
通常取α=0.5，则节流比β=1.5，或
其他节流器及静压轴承的设计计算公式可从一 般的流体静压支承资料及有关设计手册中查到。
3、补偿器的作用 研究节流器在一个流体静压 径向轴承中的作用。如图轴承中 有4个凹槽(油腔)，凹槽中的压力为ps，在凹槽与岐 管(其压力为pm)之间有补偿器Cl，C2，C3，和C4。当 轴上无载荷，即W=0时，由于4个槽中的压力相同， 因此合力为零；轴与轴承同心，即各个方向的间隙 相同。
W p sr
2 1 2
0
r0
r1
r0 ln r0 r 2 prddr p s r1 2 rdr r1 ln r r 0 1
2 2 r0 2 1 r r 2 2 1 0 p s r1 r ln r0 r dr p s r0 r1 ln r r 2 ln r r 0 1 0 1
§7-3 气体润滑轴承
以空气作为轴承的润滑剂有很大的优点，早 在1854年Him就已提出这种想法，但直到1897年 Kinsburg才证实了这一建议是可行的。目前，气 体轴承在工业中用得很多，已经有效地用于机床 主轴、测量仪器、透平机械、陀螺仪、牙钻等领 域。由于气体无污染，能用于任何温度，在某些 特殊领域中，气体轴承已成为惟一可应用的轴承。