液体静压双向止推轴承的设计与分析

液体静压双向止推轴承的设计与分析
液体静压轴承由于具有一系列优点而被广泛应用于各种精密及重型机械中。

分析研究了液体静压止推轴承的结构形式及其工作原理；根据实际应用需求，在一台大型立式车床的主轴系统上，采用小孔节流及周向回油槽等结构形式，设计了液体静压双向止推轴承的结构，并设计计算了其主要参数。

标签：液体静压轴承结构工作原理设计
0 引言
液体静压止推轴承的主要特点是静摩擦系数极小，承载能力高并且和转速无关，转盘的启动转矩小，使用寿命长，而且由于液体油膜有非常好的阻尼特性，使得切削时产生的振动较小，主轴回转精度较高。

正是由于具有上述一系列优点，液体静压止推轴承被广泛应用于各种精密机床的运动部件中。

而作为机床设备中的主要部件，其
性能的优劣直接关系到设备的加工质量和运行效率。

1 液体静压止推轴承的结构及工作原理
根据油腔的结构形式的不同，静压止推轴承的结构形式分为环形油腔静压止推轴承、多油腔静压止推轴承。

对于
环形油腔静压止推轴承，这种结构形式结构简单、加工方便，但是只能够承受通过轴心的轴向载荷，无支承倾覆力矩的能力，因此必须与径向静压轴承一起使用。

本文中设计的液体静压止推轴承为外部定量供油轴承。

因为轴承与主轴间的润滑油膜压力主要由外部供油系统供给，借助改变流量补偿轴承载荷的变化来保持主轴的稳定性能的。

因此，静压轴承必须有一套液压供油系统。

供油系统输出的压力油经过节流器或定量阀输送到轴承油腔。

由于油腔四周的封油面与轴径间的配合间隙很小，形成了出流液阻，油腔内形成压力油膜，将受载主轴浮起并实现液体润滑。

2 液体静压止推轴承的结构设计
双向止推轴承是两个单向止推轴承的组合，其承载能力是两个单向止推轴承承载能力之差，而刚度与流量分别是两个单向止推轴承刚度与流量之和。

根据要求，加工过程中，主轴系统的总负载约为10000N，因此，为了增加承载能力及提高主轴的定心能力，在止推轴承上、下幅板分别设计八个相同的扇形油腔，两油腔中间设计轴向回油槽，防止油腔内的回流现象，增加系统的稳定性。

通过计算确定轴承结构参数：R1=300mm，R2=340mm，R3=360mm，R4=400mm，θ1=12.686，θ2=22.5。

止推轴承的节流方式选用小孔节流，具有结
构简单，工艺性好等优点。

采用8油腔结构，这种结构的定心能力好，初步设计时，供油压力PS分别选定为1.5MPa。

最后所设计的止推轴承结构如图1所示。

2.1 油腔有效面积
对于双向（闭式）止推轴承，一个油腔有效面积可按下式计算：
式中，n=8 为油腔个数。

2.2 节流小孔直径dc
对于双向（闭式）止推轴承，节流小孔的直径可按下式计算：
式中，ρ—油液密度；μ—油液動力粘度；h0—轴承半径间隙；ps—供油压力；α—线膨胀系数，取12x10-6C-1。

采用3号主轴油：ρ=8.58x10-6N·S2/cm4，μ=5.75x10-7N·S2/cm2
则对应于不同的设计间隙h0和供油压力ps时的截流小孔直径如表1所示。

表1 节流孔直径与设计间隙和供油压力对应关系
综合考虑，本论文中设计止推轴承油膜间隙h0=2.5x10-2mm，供油压力PS=1.5MPa，设计截流小孔直径dc=0.4mm
2.3 油膜刚度
对于双向（闭式）止推轴承，油膜刚度可按下式计算：
其中，结构系数λ0=0.7
由上式，计算可得本论文中设计的双向止推轴承的刚度与油膜间隙和供油压力的关系如表2所示。

表2 径向轴承油膜刚度与间隙、供油压力的关系
2.4 承载能力W
双向（闭式）止推轴承轴承承载能力主要表现为上下表面有效承载面积上的压力差。

当承受轴向载荷时，主轴沿载荷方向产生微小位移，从而使双向止推轴承的上下两个面上油膜间隙发生变化，同时压力也发生变化。

如下式所示
式中ξ为位移变化率ξ∈（0，1）
将上述两式代入式，化简可得：
由上式，计算可得本静压止推轴承的最大承载能力不超过50934N。

2.5 功率消耗
主轴回转摩擦功率：
式中，动力粘度μ=5075x10-3N·S/m2（Pa·S）；线速度v=πnR/30；n=500r/min 是转速；R是轴承半径；Z1油腔深度
3 结论
在精密机床中，主轴轴承是个关键部件。

它决定了机床主轴的旋转精度和运动精度，直接影响机床的加工精度。

液体静压轴承可使用在所有的滑动速度下；既可以在运转速度很低并控制位移很准确的条件下运动，也能保证在极低的速度、极小的作用力下平稳工作，更能保证在高速运转中保持准确的精度，同时具有很高的刚度和十分稳定的温度。

因而广泛应用于各种精密运动的机械中。

本文分析了液体静压止推轴承的工作原理及结构形式，介绍了液体静压止推轴承的设计方法，并设计了适用于重载机床主轴的液体静压双向止推轴承，在大型立式车床中得到了很好的应用。

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