CN101696714A - 水润滑动静压梯槽阶梯轴承 - Google Patents
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Abstract
一种水润滑动静压梯槽阶梯轴承，包括轴瓦以及设置在轴瓦内的主轴，在轴瓦的内壁即轴承封油面上开设有呈梯形结构的环槽，呈梯形结构的环槽将轴瓦分隔成为若干相互连通的区域，且在梯形结构的环槽内开设有浅腔，且在轴瓦的还开设有与梯形结构的环槽相连通的进油孔和冷却孔。本发明在轴承封油面上的有“梯”形的深槽，将轴承表面分成若干区域，在梯槽围成的区域里是深度较槽小的浅腔。梯槽包围的浅腔起到增强动压的效果，提高轴承的承载力和刚度。在梯槽中存在若干供油孔和冷却孔，可以将高压润滑介质通过这些小孔打入轴承间隙，提高轴瓦表面流量，降低温升，保证油膜连续性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速主轴支撑轴承，尤其是能够为高速主轴提高高速、稳定和低温升的水润滑动静压梯槽阶梯轴承。
背景技术
现有高速滑动轴承主要有以下几类：一、螺旋槽油腔(M Tomio，NTakashi，I Fumihiro.Development and performance test forhigh-speed spindle with water lubricated hybrid journal bearing[J].Nihon kikai gakkai nenji taikai koen ronbunshu，2001，3(1)：211-212.Yoshimoto，S.Kume.Axial load capacity of water-lubricatedhydrostatic conical bearings with spiral grooves for high speedspindles[J].Tribology international，1998，31(6)：331-338.)，主要用于同时有径向和轴向载荷的情况；二、无腔动静压轴承(SC Sharma，V Kumar，SC Jain，et al.Thermohydrostatic analysis of slot-entryhybrid journal bearing[J].Tribology International，2002，35(9)：561-577.WP Jones，BE Launder.The calculation of low reynoldsnumber phenomena with a two-equation model of turbulence[J].International Journal of Heat Mass Transfer，1973，16(6)：1119-1130.)，该结构是近年研究较多的一类结构，动压效应大，但缺乏静压支撑，须在大偏心下工作，因此主轴回转精度低；三、浅油腔动静压轴承(CH Chen，Y Kang，YP Chang，et al.Influence of restrictor onstability of the rigid rotor-hybrid bearing system[J].Journal ofSound and Vibration，2006，297(3-5)：635-648.张亚宾.高速机床用水润滑动静压轴承设计研究[D].西安：西安交通大学，2008：1-6.)，高速精密主轴多用此类轴承，承载力大，刚度高，加工较容易，但温升较高，稳定性较低；四、环槽阶梯轴承(戴攀，张亚宾，徐华.新型高速铣床主轴水润滑动静压轴承结构及性能研究[J].润滑与密封，2009，2(1)：11-24.)，是阶梯腔轴承的一种改良结构，具有流量大、温升低的特点，其他性能与阶梯腔轴承类似。
但以上这些主轴在高速滑动的高速精密主轴支撑方面存在多种问题：
(1)高速工况下一般采用低粘度润滑介质，由于介质粘度较低，在主轴转速较高时会产生严重的紊流现象，润滑介质内摩擦现象加剧，轴承温升增大。
(2)高速工况下滑动轴承的润滑膜容易出现破裂，引起润滑介质内部出现气蚀现象，降低轴承的可靠性。
(3)高速工况下滑动轴承的油膜稳定性降低，轴承工作状态不稳定，容易进入油膜振荡状态，导致主轴轴心位置失稳，甚至引起事故。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够降低轴承温升，提高轴承的油膜可靠性，提高轴承稳定性的水润滑动静压梯槽阶梯轴承。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括轴瓦以及设置在轴瓦内的主轴，其特征在于：在轴瓦的内壁即轴承封油面上开设有呈梯形结构的环槽，呈梯形结构的环槽将轴瓦分隔成为若干相互连通的区域，且在梯形结构的环槽内开设有浅腔，且在轴瓦上还开设有与梯形结构的环槽相连通的进油孔和冷却孔。
本发明的梯形结构的环槽的深度大于浅腔的深度。
为了解决高速精密主轴支撑需要高速、低温升和高稳定性的技术要求，本发明的水润滑动静压梯槽阶梯轴承在轴承封油面上设有“梯”形的深槽，将轴承表面分成若干区域，在梯槽围成的区域里是深度较槽小的浅腔。梯槽包围的浅腔起到增强动压的效果，提高轴承的承载力和刚度。在梯槽中存在若干供油孔和冷却孔，可以将高压润滑介质通过这些小孔打入轴承间隙，提高轴瓦表面流量，降低温升，保证油膜连续性。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，其中图1a是主视图，图1b是本发明轴瓦的展开图；
图2是本发明轴承的温升分布图；
图3是本发明轴承在偏心率为0.5时的压力等高图；
图4是本发明轴承界限涡动比平方图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，包括轴瓦1以及设置在轴瓦1内的主轴2，在轴瓦1的内壁即轴承封油面上开设有呈梯形结构的环槽3，该梯形结构的环槽3将轴瓦分隔成为若干相互连通的区域，且在梯形结构的环槽3内开设有深度小于环槽3的浅腔4，且在轴瓦1上还开设有与梯形结构的环槽3相连通的进油孔5和冷却孔6。
该发明具有以下三个优点：
一、降低轴承出口温升
梯形结构的环槽3将动压效应较强的轴向封油面7分为两部分，形成类似于中心油环供油的静压轴承结构，降低了轴向封油面7上的动压效应，可降低摩擦功耗。同时，梯形结构的环槽3中的冷却孔6提高了轴瓦表面的流量，使轴瓦表面温升下降。
图2为由轴承计算程序得到的绝热条件下梯槽阶梯轴承温升分布图。由温升分布可以看出，阶梯轴承中梯形结构的环槽3的温升明显较周围温升低，由于梯形结构的环槽3中的水与油腔中流出的水在梯形结构的环槽3中充分混合，使轴向封油面7上的温升迅速下降，轴承出口温升得到有效控制。
二、防止油膜破裂
梯形结构的环槽3使本发明的轴承能够有效提高油膜破裂的临界偏心率。在高速水润滑动静压阶梯腔轴承运转过程中，润滑油膜的压力梯度很大，当主轴转速较高或轴颈偏心率较大时，极易出现油膜破裂现象。在油膜破裂处会出现低压空穴，这是由于上游润滑介质流量有限，无法完全充满空间造成的。空穴会导致轴瓦表面气蚀，缩短轴承寿命，为了防止气穴现象的发生，通常情况下只有限制主轴转速或降低主轴偏心率。
如图3，即使在偏心率为0.5时，本发明也能在原本会出现气蚀的区域提高了流量，降低压力梯度，避免油膜破裂，说明本发明能够提高油膜破裂的临界偏心率。
三、提高轴承稳定性
高速主轴对稳定性的要求很高，当主轴处于高速运转的工况下，若轴承稳定性过低，会造成油膜失稳，导致主轴轴心剧烈振动，引起事故。
轴承稳定性可通过界限涡动比平方估计，界限涡动比平方是失稳角速度与工作角速度的比值的平方，该值越小轴承越稳定。由图4可知本发明的轴承的界限涡动比平方很小，具有较好的稳定性。
Claims (2)
1.一种水润滑动静压梯槽阶梯轴承，包括轴瓦(1)以及设置在轴瓦(1)内的主轴(2)，其特征在于：在轴瓦(1)的内壁即轴承封油面上开设有呈梯形结构的环槽(3)，呈梯形结构的环槽(3)将轴瓦分隔成为若干相互连通的区域，且在梯形结构的环槽(3)内开设有浅腔(4)，且在轴瓦(1)上还开设有与梯形结构的环槽(3)相连通的进油孔(5)和冷却孔(6)。
2.根据权利要求1所述的水润滑动静压梯槽阶梯轴承，其特征在于：所说的梯形结构的环槽(3)的深度大于浅腔(4)的深度。
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