CN105508426B - 油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承，包括前静压油腔、上静压油腔、下静压油腔、动压腔、三个进油孔、三条轴向的回油槽以及供油系统，所述三个进油孔分别连通前静压油腔、上静压油腔、下静压油腔，并连接供油系统，所述的上静压油腔与动压腔之间开设有楔形腔，所述楔形腔的截面为阿基米德螺旋线油腔型面。本发明克服和弥补了其它动静压滑动轴承的不足，较好地解决了主轴启动时与动静压轴承摩擦接触造成的磨损问题，具有油膜刚性可调的显著特点，有利于保证主轴系统的回转精度和延长其寿命。

Description

油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承
技术领域
本发明涉及一种机床主轴用流体动静压滑动轴承，尤其是一种重载、高速、精密数控机床主轴系统适用的流体动静压滑动轴承。
背景技术
轴承是影响机床加工精度的关键基础件之一，其回转精度、防振性能和动刚性的提升问题越来越受到重视。除了滚动轴承外，目前相当数量的机床主轴系统采用了动压滑动轴承和静压滑动轴承。在静压滑动轴承中，供油系统一启动，主轴与轴承就处于液体润滑状态，轴承受相对速度的影响小，速度变化适用范围广。由于静压滑动轴承是纯液体润滑，具有零件使用寿命长、起动功率小，具有良好吸振性的特点。动压滑动轴承利用的是粘性流体流入楔形收敛间隙产生的压力效应，在从静止、启动到稳定的工作过程中，当轴颈转速较低时，压力效应还不足以完全浮起主轴，轴颈与轴承处于边界膜润滑的非液体润滑接触状态，轴颈沿轴承内表面产生滚动，会造成摩擦接触磨损。动静压滑动轴承是在动压滑动轴承和静压滑动轴承的基础上发展起来的新型油膜轴承，它利用了动压滑动轴承和静压滑动轴承的混合效应，得到了一定的应用。专利号ZL200520074843.2的轧辊磨床砂轮主轴用动静压滑动轴承，其轴承结构形式为三个静压油腔和一个动压油腔，启动和工作时依靠四个油腔的共同作用来承受外载荷，较好地利用了动静压滑动轴承的混合效应，但这种结构形式的动静压滑动轴承在主轴启动阶段会因主轴与轴承的摩擦接触而产生磨损，同时在运行工况下其轴承油膜刚性受主轴转速大小改变的影响，其大小不能随意调节。
综上所述，如何充分利用动静压滑动轴承的结构特点和混合效应来解决主轴启动时主轴与动静压滑动轴承的摩擦接触磨损和油膜刚性调节等问题，成了机床主轴用动静压滑动轴承设计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现有技术的不足而提供一种油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承，使其具有在主轴启动时不与轴承产生摩擦接触而磨损，在运行过程中还能对轴承油膜刚性进行调节，具有较高的动静压轴承的混合效应和均化误差的作用，提高机床主轴系统的回转精度和使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承，包括前静压油腔、上静压油腔、下静压油腔、动压腔、三个进油孔、三条轴向的回油槽以及供油系统，所述三个进油孔分别连通前静压油腔、上静压油腔、下静压油腔，并连接供油系统，所述的上静压油腔与动压腔之间开设有楔形腔，所述楔形腔的截面为阿基米德螺旋线油腔型面。
所述上静压油腔和下静压油腔相对于竖直中心线分别偏置一个远离前静压油腔的角度α和β，其中，角度β取8～10°，角度α取比角度β小2°。
所述三个进油孔与供油系统相通的油路中分别设有电液伺服控制阀、毛细管节流器A和毛细管节流器B，分别对前静压油腔、上静压油腔和下静压油腔的压力进行调节和控制；供油系统中还设有冷却装置，用于对整个主轴系统进行温度调节。
所述楔形腔在上静压油腔起始处的深度取主轴与动静压滑动轴承的配合间隙一样相同的数量级。
所述三个进油孔内所通润滑液液体介质为油液或水液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过改变原有流体动静压滑动轴承的结构，当供油系统供给三个静压油腔油液的压力作用下，主轴浮起位于轴承的中间而使主轴与轴承处于液体润滑状态，解决了主轴启动时因主轴与动静压滑动轴承摩擦接触造成的磨损问题。通过开设阿基米德螺旋线楔形腔，一方面有利于保证流体在轴承的流态保持层流状态，减少摩擦损耗；另一方面，大大提高动静压轴承在运行工况下的动压效应，充分利用动静压轴承的混合效应。此外，充分利用随着液压技术发展而出现的响应速度快、控制精度高的液压元件——电液伺服控制阀，控制油腔的压力，有效地调节轴承的油膜刚性。本发明结构简单，大大延长了主轴系统的使用寿命，提升了机床主轴系统的动态运行性能，可满足机床更广泛的需求。
附图说明
图1为本发明的油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承的主视图；
图2为图1所示轴承的供油系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1，2所示，本发明的油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承，包括前静压油腔2、上静压油腔3、下静压油腔6、动压腔5、三个进油孔1、三条轴向的回油槽7、供油系统8、电液伺服控制阀9、信号放大器10、毛细管节流器A11、毛细管节流器B12、压力传感器P/U、油泵电机M1、油泵B1、安全阀Y1、单向阀I1、压力继电器SP1、蓄能器N1、截止阀V1。
上静压油腔3和动压腔5之间开设有楔形腔4，楔形腔4的截面为阿基米德螺旋线油腔型面，楔形腔4在上静压油腔3起始处的深度取主轴与动静压滑动轴承的配合间隙一样相同的数量级。上静压油腔3和下静压油腔6相对于竖直中心线分别偏置一个远离前静压油腔2的角度α和β，角度β取8～10°，角度α取比角度β小2°。三个进油孔1分别连通前静压油腔2、上静压油腔3、下静压油腔6，并连接供油系统8。在供油系统8中，与三个进油孔1相通的油路中分别设有电液伺服控制阀9、毛细管节流器A11和毛细管节流器B12，利用它们分别对前静压油腔2、上静压油腔3和下静压油腔6的压力进行调节和控制。
主轴启动前，需先启动供油系统8。首先启动油泵电机M1，油泵B1运转，安全阀Y1调整压力为5～5.5MPa，油液经单向阀I1后经电液伺服控制阀9、毛细管节流器A11和毛细管节流器B12分别为前静压油腔2、上静压油腔3和下静压油腔6供油，在三个静压油腔油压的作用下，使主轴浮起，脱离与轴承内孔的接触，使主轴处于液体润滑状态，避免了主轴启动时与轴承的摩擦接触磨损。主轴启动后，随着其转速的提高，由上静压油腔3、楔形腔4和动压腔5产生的动压效应逐渐增大，轴承的油膜刚性有可能变差，此时利用压力传感器P/U测量前腔油腔2的油膜压力，转化为电信号后送入PLC控制器，PLC控制器依据预先设定的轴承油膜刚性控制算法程序运算得到控制信号，经信号放大器10放大后驱动电液伺服控制阀9，在电液伺服控制阀9作用下调整输送给前静压油腔2的压力，这样前静压油腔2的压力形成闭环反馈控制回路，以保证给定的轴承油膜刚性。在高速工况下，楔形腔4和动压腔5将产生极大的动压作用力，为了进一步提升油膜的承载能力和油膜刚性，手动输入改变PLC控制器中轴承油膜刚性的参数设定值，通过PLC控制器中算法程序调整电液伺服控制阀9的控制作用，达到了调节轴承油膜刚性的目的。
供油系统8中，压力控制器SP1用于监视前静压油腔2、上静压油腔3和下静压油腔6的供油压力，只有当供油压力大于4.5MPa时，供油系统8才能进入正常工作状态，此时才可以启动主轴运转。此外，为了保护电机的安全运行，设置了安全阀Y1；为了充分吸收油液压力的脉动和蓄能器的安全运行，设置了蓄能器N1和截止阀V1。供油系统8中还设有冷却装置，用于对整个主轴系统进行温度调节。
本发明的轴承结构采用油腔偏置的结构，利用进入三个静压油腔的压力油使主轴浮起位于轴承的中间，形成静压轴承的液体润滑油膜，不仅起到了均化误差的作用，还解决了主轴启动时因与轴承摩擦接触造成的磨损问题。利用开设阿基米德螺旋线楔形腔，在保证润滑油液具有良好流态的同时，充分利用了动静压轴承的混合效应。利用响应速度快、控制精度高的电液伺服控制阀等元件，通过PLC控制器调节控制了轴承的油膜刚性。本发明结构简单，延长了主轴系统的使用寿命，提升了机床主轴系统动态运行性能，可满足机床更广泛的需求。

Claims (1)

1.一种油膜刚性可调节的流体动静压滑动轴承，包括前静压油腔（2）、上静压油腔（3）、下静压油腔（6）、动压腔（5）、三个进油孔（1）、三条轴向的回油槽（7）以及供油系统（8），其特征在于：所述三个进油孔（1）分别连通前静压油腔（2）、上静压油腔（3）、下静压油腔（6），并连接供油系统（8），所述上静压油腔（3）与动压腔（5）之间开设有截面为阿基米德螺旋线油腔型面的楔形腔（4），所述上静压油腔（3）和下静压油腔（6）相对于竖直中心线分别偏置一个远离前静压油腔（2）的角度α和β，角度β取8~10°，角度α取比角度β小2°；所述三个进油孔（1）与供油系统（8）相通的油路中分别设有电液伺服控制阀（9）、毛细管节流器A（11）和毛细管节流器B（12），分别对前静压油腔（2）、上静压油腔（3）和下静压油腔（6）的压力进行调节，其中，电液伺服控制阀（9）可对前静压油腔（2）的油压进行直接反馈控制。
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