CN103962948B - 一种用于重型轧辊磨床砂轮主轴的毛细管节流动静压混合轴承 - Google Patents

Abstract

一种用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，包括五个静压腔、弧形浅腔、三个轴向回油槽，上、下静压腔为一对置油腔，位于轴承垂直线上；前静压腔中心位于轴承水平线右边并靠近磨削工件；前静压腔同左侧后静压腔及右侧后静压腔对置且其水平中线在一个水平面上，左侧后静压腔和右侧后静压腔沿轴承宽度中心对称分布；动压腔为动压封油面除去左侧后静压腔和右侧后静压腔的部分；三个轴向回油槽分别设在前静压腔上、下两端及上静压腔左侧，所述五个静压油腔分别同相应进油(7)连通；弧形浅腔设在下静压腔与动压腔之间。毛细管节流器尺寸选择有要求。它不但保证主轴在高速下具有很高的承载能力和较低的温升，而且还具有抗主轴倾斜能力。

Description

一种用于重型轧辊磨床砂轮主轴的毛细管节流动静压混合轴承

技术领域

本发明涉及轴承，进一步是指用于重型轧辊磨床砂轮主轴的毛细管节流动静压混合轴承，该轴承利用了静压、动压油膜混合效应的原理，所设计出的动静压混合轴承在高速下具有高的承载能力、刚度、回转精度和较低的温升，还具有一定的抗主轴倾斜能力。

背景技术

目前，轧辊磨床砂轮主轴中采用动静压轴承越来越多。随着轧辊磨床向高效、重载、高速、高精度方向逐步发展，要求其砂轮主轴中动静压轴承承载能力高刚度高、轴承性能受润滑油温升影响小、抗主轴倾斜能力强。目前轧辊磨床砂轮主轴动静压轴承结构如专利号为ZL200520074843.2，开设了3个静压腔和1个动压腔，主轴在启动和工作时靠上述油腔共同作用来承受外载荷，充分利用了静压和动压混合效应，轴承油膜刚性较高。但是这种结构轴承在工作状态下承载能力不大，轴承润滑油温升较高且性能受温升影响较大，抗主轴倾斜能力较低；这可能会导致轴承轴向边缘与主轴发生接触碰撞磨损。

综上所述，怎样在保证轴承的性能受润滑油温升影响小，充分利用动静压混合效应来提高轴承的承载能力，能在一定程度上提高主轴的抗倾斜能力，这些都是设计高速高效重型轧辊磨床砂轮主轴轴承时迫切需要解决的难点问题。

发明内容

本发明的目的是，为了克服上述技术上的不足，提出一种用于重型轧辊磨床砂轮主轴的毛细管节流动静压混合轴承，它不但可以保证在高速下具有较高的承载能力和较低的温升，而且还具有一定的抗主轴倾斜能力。

本发明所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承的结构特点是，在轴承腔壁设有上静压腔、前静压腔、下静压腔、左侧后静压腔和右侧后静压腔、弧形浅腔、动压腔、三个轴向回油槽、进油孔；所述上静压腔与下静压腔为一对置油腔，该两个油腔中心位于轴承垂直线上；前静压腔2中心位于轴承水平线的右边，且该静压腔靠近磨削工件；前静压腔同左侧后静压腔及右侧后静压腔对置且其水平中线在一个水平面上，左侧后静压腔和右侧后静压腔沿轴承宽度中心对称分布；位于前静压腔对面的动压腔为动压封油面除去左侧后静压腔和右侧后静压腔的部分；三个轴向回油槽分别设在前静压腔上、下两端及上静压腔1左侧，所述五个静压油腔分别同相应进油孔连通；弧形浅腔开在下静压腔与动压腔之间。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明中，当轧辊磨床砂轮主轴在启动前，所述五个毛细管节流静压油腔通入压力油，在各静压油腔的静压作用下砂轮主轴浮起，可以使砂轮主轴与动静压混合轴承不发生接触，这避免了主轴与轴承之间发生碰撞刮擦。随着主轴转速的增大，动压腔5以及弧形浅腔4的动压效应明显增大，与所述五个毛细管节流静压油腔结合起来共同来承载。鉴于轧辊磨床受力的特殊性(由前静压腔指向动压面方向的力可达上万牛顿，上、下静压腔承受的力相对较小；而且受力方向保持不变)，实际上主要的外载荷还是由动压腔5以及弧形浅腔4在砂轮主轴高速旋转时产生很强的动压效应来承受；正是由于动压腔5以及弧形浅腔4的动压效应，大大的提高了油膜的承载力以及刚度。但是高速轴承的润滑油温升较高；动静压轴承的动压腔温升高而静压腔温升相对较低，温度变化较大。但是弧形浅腔轴承在高速下温升低于阶梯浅腔轴承。同时，毛细管节流静压轴承的载荷和刚度与润滑油的粘度及温升无关，轴承容许间隙的制造误差大一些，容许轴承的工作温度变化大，这很适合该动静压轴承润滑油温升变化大的情况。

左侧后静压腔8和右侧后静压腔9这两静压腔，还具有一定的抗主轴倾斜的能力，这样也可以在一定程度上降低由于主轴的倾斜而与轴承发生刮擦的可能性。此外，静压油膜还能起到均化轴承的制造误差的作用。

本发明中，由于所述轴承用在重型轧辊磨床主轴上，其受力很大而且方向保持不变从前腔指向后腔。砂轮主轴静止状态下的轴承受力主要由所述五个毛细管节流静压油腔共同来承受；当砂轮主轴高速工作旋转时轴承绝大部分承载力由动压面产生的流体动压力来承受，即该轴承在砂轮主轴旋转状态下主要靠动压腔5同该主轴之间的间隙形成的流体动压润滑力来承载。正因为该轴承受力的特殊性，其所述五个静压腔所成毛细管节流器尺寸参数(包括长度和内径)最好采用一定原则进行选择。

所述五个静压油腔的毛细管节流器尺寸参数的具体优化选择原则为：设计载荷(空载)状态下保证前静压腔2的油压为轴承供油压力的1/4倍大小，而上静压腔1与下静压腔3的油压为轴承供油压力的1/2倍大小，这样就可以根据设计载荷(空载)下的压力关系再结合相关的设计理论公式(轴承流量平衡方程)定好轴承上静压腔1、下静压腔3以及前静压腔2的毛细管节流器尺寸参数，左侧后静压腔8和右侧后静压腔9的毛细管节流器参数可参照上静压腔1、下静压腔3的毛细管节流器参数来进行选择。

所述五个静压油腔的毛细管节流器参数的具体设计过程如下：

在空载且轴承与主轴同心条件下，根据轴承流量平衡方程(通过毛细管节流器流入油腔的流量Q_c0等于从油腔内流出的流量Q_c)，即： Q_c0＝Q_c；式中：R为轴承半径；η为润滑油粘度；l₁为轴承轴向封油边长度；l为轴承油腔长度；b₁为轴承周向封油边长度；P_s为轴承供油压力；P₀为轴承油腔压力；θ₁为轴承油腔张角之半；d_C为毛细管节流器内径；l_C为毛细管节流器长度，h₀为轴承半径间隙。

在毛细管节流器参数(长度及内径)未知而其他参数已知的情况下可以由上述公式求得毛细管节流器内径d_C与毛细管节流器长度l_C的关系。

一般毛细管节流器内径d_C是可以设定好的，所以d_C已知可以求出相应的毛细管节流器长度l_C。再看毛细管节流器中润滑油的流态是否满足层流条件，来最终确定毛细管节流器的尺寸。

对于这种特殊的毛细管节流动静压混合轴承而言，上、下静压腔的节流比时为毛细管节流静压轴承最佳节流比；前静压腔的节流比为毛细管节流静压轴承最佳节流比，根据这三个静压油腔的最佳节流比，在供油压力Ps已知的情况下，可得出设计状态下的油腔压力P₀；最终求得毛细管节流器内径d_C与毛细管节流器长度l_C的关系，假如d_C已知那么可以求出上、下及前静压腔的毛细管节流器长度l_C；左后侧静压油腔和右后侧静压油腔的毛细管节流器参数与上、下静压腔的毛细管节流器参数取值一样。

本发明针对重型轧辊磨床砂轮主轴磨削力较大、加工效率高和回转精度高等的要求，能够显著提高动静压轴承油膜的承载能力、刚度以及整个主轴系统的回转精度；而且由于毛细管节流的优良性能使轴承在温升变化较大的情况下能够保持轴承性能稳定；同时还能在一定程度上降低了主轴倾斜时与轴承发生接触的可能性；解决了重型轧辊磨床砂轮主轴在启动时与动静压混合轴承发生接触的问题，适用轧辊磨床的高速高精度的发展。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图2的B-B剖视图；

图4为图2的C-C剖视图；

图5为第一个对比动静压轴承结构图；

图6为第二个对比动静压轴承结构图。

在图中：

1-上静压腔，2-前静压腔，3-下静压腔，

4-弧形浅腔，5-动压腔，6-轴向回油槽；

7-进油孔，8-左侧后静压腔，9-右侧后静压腔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例来对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承的结构是，在轴承腔壁设有上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3、左侧后静压腔8和右侧后静压腔9、弧形浅腔4、动压腔5、三个轴向回油槽6、进油孔7；所述上静压腔1与下静压腔3为一对置油腔，该两个油腔中心位于轴承垂直线a上；前静压腔2中心位于轴承水平线b的右边，轴承垂直线a与水平线b如图4所示；且前静压腔2靠近磨削工件；前静压腔2同左侧后静压腔8及右侧后静压腔9对置且该三腔水平中线在一个水平面上，左侧后静压腔8和右侧后静压腔9沿轴承宽度中心对称分布；位于前静压腔2对面的动压腔5为动压封油面除去左侧后静压腔8和右侧后静压腔9的部分；三个轴向回油槽6分别设在前静压腔2上、下两端及上静压腔1左侧，所述五个静压油腔分别同相应进油孔7连通；弧形浅腔4开在下静压腔3与动压腔5之间。

本发明中，做为优选，所述三个轴向回油槽6的深度同所述五个静压腔(上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3、左侧后静压腔8、右侧后静压腔9)深度一致(即，所述三个轴向回油槽6的深度相同，所述上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3、左侧后静压腔8、右侧后静压腔9的深度相同，所述回油槽6的深度与所述静压油腔的深度相同)，对应进油孔7分别开在所述五个静压油腔的中心位置；所述前静压腔2上、下两端的两个回油槽宽度为上静压腔1左侧回油槽的一半。

本发明中，在下静压腔3与动压腔5之间开有一个弧形浅腔4，该弧形浅腔4亦为矩形腔，其最深处深度与砂轮主轴和轴承配合间隙为同一数量级，油腔深度随着润滑油流动的方向逐渐减小，最后与轴承动压封油面平齐；弧形浅腔4轴向长度与轴承的三个静压油腔(上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3)的轴向长度取值大小相同，即弧形浅腔4轴向长度与上静压腔1或前静压腔2或下静压腔3的轴向长度取值大小相同；上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3的轴向长度相同。

本发明中，左侧后静压腔8和右侧后静压腔9分别开在轴承后侧的左、右轴向封油边的正中间，且都为矩形腔，其深度取砂轮主轴与轴承配合间隙的50～100倍，其宽度取1/4～1/3倍的轴向封油边长度。

参见图3和图4，做为优选，所述五个静压腔(上静压腔1、前静压腔2、下静压腔3、左侧后静压腔8和右侧后静压腔9)、一个弧形浅腔4、进油孔7，以及两个后静压腔之间具体对应的位置角度如下表1所示：

表1本发明轴承各特征所对应的位置角度

位置角度	θ1	θ2	θ3	θ4	θ5	θ6	θ7	θ8
									值/(°)	5	45	10	30	60	55	45	30

本发明具有显著优越效果的试验情况说明如下。

下列各表中，动静压轴承3为本发明轴承(参见图1至4所示结构)，动静压轴承2为第一个对比轴承(参见图5所示结构)，该毛细管节流动静压轴承只设计有一个后置静压油腔，而且其它几个静压腔以及动压油腔不是开在轴承轴向的中心位置，同时其采用阶梯浅腔不是弧形浅腔；动静压轴承1为第二个对比轴承(参见图6所示结构)，该轴承为不设置后静压腔的毛细管节流动静压轴承，重型轧辊磨床砂轮主轴可能在启动时与动静压混合轴承发生接触碰撞摩擦，会导致轴承丧失精度。

分别对以上3种轴承在不同偏心率下的轴承性能运用计算流体动力学软件FLUENT计算出来(在此取主轴转速1200r/min，轴承供油压力4MPa)，轴承具体各性能如表2、3、4所示。

表2不同偏心率下的各轴承的承载能力与油膜刚度对比

表3不同偏心率下的各轴承的最高温升与总功耗对比

表4不同偏心率下的各轴承的流量与总功耗对比

由表2、表3以及表4可知，在不同的偏心率下，动静压轴承3(本发明)的承载能力以及油膜刚度相比动静压轴承2与动静压轴承1而言有大幅提高，适用于重型轧辊磨床砂轮主轴。同时在轴承温升方面，显然动静压轴承3(本发明)的最高温升相比较动静压轴承2而言有所降低。这些都充分证明了本发明突出的优越性能。

表5为对上述本发明动静压轴承3与动静压轴承2，在相同实验条件下(此取主轴转速1200r/min，供油压力4MPa)在动静压轴承试验台上实测性能对比。可见本发明动静压轴承性能要好。

表5动静压轴承性能实测值对比

轴承名称	动静压轴承2	本发明轴承3
			轴承承载力/(N)	22576	24691
轴承温升/(℃)	24.6	22.1
			轴承总功耗/(W)	898	890
轴承流量/(L/min)	2.31	2.42

Claims (7)

1.一种用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，在轴承腔壁设有上静压腔(1)、前静压腔(2)、下静压腔(3)、左侧后静压腔(8)和右侧后静压腔(9)、弧形浅腔(4)、动压腔(5)、三个轴向回油槽(6)、进油孔(7)；所述上静压腔(1)与下静压腔(3)为一对置油腔，该两个油腔中心位于轴承垂直线(a)上；前静压腔(2)中心位于轴承水平线(b)的右边，且前静压腔(2)靠近磨削工件；前静压腔(2)同左侧后静压腔(8)及右侧后静压腔(9)对置且其水平中线在一个水平面上，左侧后静压腔(8)和右侧后静压腔(9)沿轴承宽度中心对称分布；位于前静压腔(2)对面的动压腔(5)为动压封油面除去左侧后静压腔(8)和右侧后静压腔(9)的部分；三个轴向回油槽(6)分别设在前静压腔(2)上、下两端及上静压腔(1)左侧，所述五个静压油腔分别同相应进油孔(7)连通；弧形浅腔(4)设在下静压腔(3)与动压腔(5)之间。

2.根据权利要求1所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述弧形浅腔(4)为矩形腔，该腔最深处深度与砂轮主轴和轴承配合间隙为同一数量级，该弧形浅腔(4)深度随着润滑油流动的方向逐渐减小，最后与轴承动压封油面平齐；弧形浅腔(4)轴向长度与上静压腔(1)或前静压腔(2)或下静压腔(3)的轴向长度取值大小相同；上静压腔(1)、前静压腔(2)、下静压腔(3)的轴向长度相同。

3.根据权利要求1所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述三个轴向回油槽(6)的深度相同，所述上静压腔(1)、前静压腔(2)、下静压腔(3)、左侧后静压腔(8)、右侧后静压腔(9)的深度相同，所述回油槽(6)的深度与所述静压油腔的深度相同，对应进油孔(7)分别开在所述五个静压油腔的中心位置。

4.根据权利要求1所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述前静压腔(2)上、下两端的两个回油槽宽度为上静压腔(1)左侧回油槽的一半。

5.根据权利要求1所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述左侧后静压腔(8)和右侧后静压腔(9)都为矩形腔，其深度取砂轮主轴与轴承配合间隙的50～100倍，其宽度取1/4～1/3倍的轴向封油边长度。

6.根据权利要求1所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述上静压腔(1)、前静压腔(2)与下静压腔(3)的任一腔的毛细管节流器尺寸参数采用以下方法确定：

设计载荷空载状态下保证前静压腔(2)的油压为轴承供油压力的1/4倍，而上静压腔(1)与下静压腔(3)的油压为轴承供油压力的1/2倍，由此根据设计载荷空载下的压力关系运用轴承流量平衡方程确定轴承上静压腔(1)、下静压腔(3)以及前静压腔(2)的毛细管节流器尺寸参数，左侧后静压腔(8)和右侧后静压腔(9)的毛细管节流器参数按照上静压腔(1)、下静压腔(3)的毛细管节流器参数确定。

7.根据权利要求6所述用于重型轧辊磨床砂轮主轴上的毛细管节流动静压混合轴承，其特征是，所述轴承流量平衡方程确定所述毛细管节流器尺寸参数过程是：

在空载且轴承与主轴同心条件下，设通过毛细管节流器流入油腔的流量Q_c0等于从油腔内流出的流量Q_c，即Q_c0＝Q_c，而：

$Q_c=\frac{{\mathrm{Rh}}_o^3}{6{\mathrm{\ηl}}_1}(\frac{{\mathrm{ll}}_1}{{\mathrm{Rb}}_1}+2{\mathrm{\θ}}_1)P_0,$

$Q_{c0}=\frac{{{\mathrm{\πd}}_C}^4(P_s-P_0)}{128{\mathrm{\ηl}}_C},;$

式中：R为轴承半径；η为润滑油粘度；l₁为轴承轴向封油边长度；l为轴承油腔长度；b₁为轴承周向封油边长度；P_s为轴承供油压力；P₀为轴承油腔压力；θ₁为轴承油腔张角之半；d_C为毛细管节流器内径；l_C为毛细管节流器长度；h₀为轴承半径间隙；

左后侧静压油腔和右后侧静压油腔的毛细管节流器参数与上、下静压腔的毛细管节流器参数取值相同。