CN112096742B

CN112096742B - 一种静压轴承及静压导轨组件

Info

Publication number: CN112096742B
Application number: CN202011075207.7A
Authority: CN
Inventors: 黄禹; 荣佑民; 吴昊; 李宇恒; 陈春梦
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: CN112096742A

Abstract

本发明公开了一种静压轴承及静压导轨组件，其包括：支撑块，其上部开设有副腔室，下部开设有主腔室，且副腔室、主腔室之间连通；盖板，其盖设在支撑块上，且开设有与所述副腔室连通的开孔；承载活塞，其容纳于所述副腔室内；承载盘，其连接从开孔中伸出的承载活塞的顶部，用于承接外载荷；弹性元件，其设置于副腔室内，且一端与承载活塞抵持，另一端与盖板底面抵持；以及节流器，其安装于所述支撑块中，且所述节流器的出口通过第二通道与所述第一通道连通，入口连通外部供油设备。本发明利用小孔节流结合活塞式位移自补偿结构，使得静压轴承所受承载力发生变化时，可快速响应，以在短时间内回复到原位置，进而实现准无限刚度。

Description

一种静压轴承及静压导轨组件

技术领域

本发明涉及静压技术领域，特别是涉及一种静压轴承及静压导轨组件。

背景技术

液体静压推力轴承以高承载力、高刚度、高阻尼的优越性能得以在高速、重载、超精密机床导轨及主轴上逐渐得到广泛应用，其刚度系数一直是评价机床动态性能的重要参数之一。

随着机床继续向高精密方向发展，静压轴承技术也面临新的挑战。在诸如超精密重载硬车、硬铣等极端加工条件下，在切削力等强扰动下静压轴承的动态性能无法满足加工需求。

由此，为提高静压轴承的刚性，现已提出多种优化方案，如采用膜片式节流器，以此在实现油膜压力被动补偿的同时提高刚度，但其存在补偿时延较长，且难以精准控制、寿命短、造价高的缺点；或者在封油边设置压电促动器，以根据压力反馈对油膜进行主动补偿，但该方案控制算法复杂、实现困难；或者在油液中加入磁性材料，使得流体在磁场下展现特殊性质，以改善油膜的支承性能，然而其同样存在难以精准控制等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种静压轴承及静压导轨组件，其利用小孔节流结合活塞式位移自补偿结构，使得静压轴承所受承载力发生变化时，可快速响应，以在短时间内回复到原位置，进而实现准无限刚度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，提供一种静压轴承，其包括：

支撑块，其上部开设有副腔室，下部开设有主腔室，且副腔室、主腔室之间通过第一通道连通，所述副腔室底部设有至少一个限位凸台；

盖板，其盖设在所述支撑块上，且与所述支撑块连接，且所述盖板上开设有与所述副腔室连通的开孔；

承载活塞，其部分容纳于所述副腔室内，且所述承载活塞顶部从所述开孔中伸出；

承载盘，其连接从开孔中伸出的承载活塞的顶部，用于承接外载荷；

弹性元件，其设置于所述副腔室内，且一端与所述承载活塞抵持，另一端与所述盖板底面抵持，所述弹性元件通过弹性形变对承载活塞施加向下的预紧力，使得承载活塞底部与所述限位凸台抵持；

以及节流器，其安装于所述支撑块中，且所述节流器的出口通过第二通道与所述第一通道连通，入口连通外部供油设备。

优选的，所述主腔室的深度为1-3mm，直径为10-25mm。

优选的，所述副腔室直径为20-35mm。

优选的，所述弹性元件包括蝶形弹簧。

优选的，所述节流器的节流孔孔径为0.25-0.35mm。

优选的，外部供油设备向所述主腔室及副腔室供油后，在支撑块底面与承载面之间形成有厚度为为20-40μm的油膜。

优选的，在稳定工作状态下，对所述承载盘施加承载力时，所述承载活塞的位置不变，使得静压轴承整体具有准无限刚度的性能指标。

优选的，所述副腔室的底面积比支撑块底面的有效承载面积大5-10％。

还提供一种静压导轨组件，其包括：导轨、溜板以及上述静压轴承；所述溜板连接所述承载圆盘，所述导轨与所述支撑块底面间隙配合。

优选的，所述静压导轨组件还包括：压力表、调节阀以及液压泵；所述液压泵连接外部供油设备，用于将高压油泵入所述节流器，且所述压力表、调节阀均设置在静压轴承外部的高压油输送通路上，分别用于监测静压轴承内部油压和调节油压。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明中的静压轴承结构简单、制造成本低，其采用小孔节流的方式，结合承载活塞位移的自动补偿机制以及独特的结构参数组合(如主腔室、副腔室直径、节流器孔径等)，使得静压轴承进入稳定工作状态后，在其承受的承载力发生变化时，承载活塞均可以迅速回复到处于稳定工作状态时的初始位置，以实现承载活塞位移的自动补偿，以使得静压轴承达到准无限刚度的性能指标。

附图说明

图1为本发明静压轴承的剖视图；

图2为本发明静压轴承在不同承载力条件下的剖视图；

图3为本发明有效承载面积的示意图；

图4为本发明静压导轨组件的剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例中的静压轴承包括：

支撑块1，其上部开设有副腔室11，下部开设有主腔室12，且副腔室11、主腔室12之间通过第一通道S1连通，进一步的，所述主腔室12的深度为1-3mm(优选为2mm)，所述副腔室S1底部设有至少一个限位凸台13，本实施例中，所述限位凸台13与支撑块1可为一体成型结构，且所述限位凸起13的高度为0.2-1.0mm，优选为0.5mm；同时，所述副腔室11直径为20-35mm(优选为25mm)，主腔室12直径为10-25mm(优选为15mm)；

盖板3，其盖设在所述支撑块1上，且与所述支撑块1通过螺栓等可拆卸的连接，且所述盖板3上开设有与所述副腔室S1连通的开孔31；

承载活塞2，其部分容纳于所述副腔室S1内，且所述承载活塞2顶部从所述开孔31中伸出；

承载盘7，其连接从开孔31中伸出的承载活塞2的顶部，用于承接外载荷；所述承载盘7可为规则形状/异型盘状结构，如圆盘等；

弹性元件4，其设置于所述副腔室11内，且一端与所述承载活塞2抵持，另一端与所述盖板3底面抵持，所述弹性元件4通过因盖板3和承载活塞2的挤压而产生的弹性形变对承载活塞2施加向下的预紧力，使得承载活塞2底部与所述限位凸台13抵持；本实施例中，所述弹性元件4为高刚度高阻尼弹性元件，其包括刚度为15-25N/mm的蝶形弹簧等；

以及节流器5，其通过螺纹连接安装于所述支撑块1中，且所述节流器5的出口通过第二通道S2与所述第一通道S1连通，入口通过外部转接头6等连接部件连通外部供油设备；本实施例中，所述节流器5的节流孔孔径为0.25-0.35mm(优选为0.3mm)。

如图1所示，在静压轴承内部未通油，且未对承载盘7施加承载力(即空载)的情况下，所述弹性元件4通过弹性形变对承载活塞2施加向下的预紧力，承载活塞2底部与所述限位凸台13抵持。

如图2中的(a)部分所示，外部供油设备中的高压油O在供油油压1.0-1.5MPa条件下通过转接头6流入节流器5，再经过节流器5进行节流，使得高压油压力降低，以成为低压油，低压油再沿实线箭头所指流动方向，通过第二通道S2、第一通道S1灌满静压轴承内部的整个主腔室12及副腔室11，且在支撑块1底面与承载面A之间形成有厚度为C0(C0为20-40μm，优选为25-35μm)的油膜L；且由于主腔室12及副腔室11内部油压相通，同时，由于限位凸起13避免承载活塞2下表面与副腔室11完全贴合，因此副腔室11内的油压可时刻作用于承载活塞2下表面与副腔室11下表面之间的区域。此时，对承载盘7施加第一承载力F，所述弹性元件4可仍然通过弹性形变对承载活塞2施加向下的预紧力，承载活塞2底部仍然与所述限位凸台13保持抵持。

进一步的，如图2中的(b)部分所示，对承载盘7施加大于第一承载力F的第二承载力F+ΔF1后，静压轴承整体(包括支撑块1)会向下移动，使得油膜厚度减少ΔC1，主腔室12、副腔室11压力增大，承载盘7和承载活塞2在油压作用下被顶起，并迅速回复到施加第一承载力F时的位置，此时承载活塞2下表面与限位凸起13分离，同时，由于支撑块1相对承载面A的高度下降，因此所以弹性元件4被进一步挤压、压缩，形变量进一步增大，静压轴承整体自此进入稳定工作状态。

再进一步的，如图2中的(c)部分所示，对处于稳定工作状态的静压轴承的承载盘7施加第三承载力F+ΔF2(第三承载力可大于上述第二承载力)，类似于上述静压轴承进入稳定工作状态的过程，静压轴承整体(包括支撑块1)同样会向下移动，使得油膜厚度进一步减少ΔC2，主腔室12、副腔室11压力增大，重新将承载盘7和承载活塞2顶起，并迅速回复到处于稳定工作状态时的位置(由此，当施加第二承载力和第三承载力时，承载活塞2的位置不变)，上述过程中，承载活塞2下表面始终与限位凸起13分离，同时，由于支撑块1相对地面的高度下降，因此所以弹性元件4被进一步挤压、压缩，形变量进一步增大。

由此，通过图2中过程可以看出，静压轴承进入稳定工作状态后，承载活塞2下表面始终与限位凸起13分离，承载活塞2在不同承载力条件下均可以迅速回复到处于稳定工作状态时的初始位置，以实现承载活塞2位移的自动补偿，以达到准无限刚度的性能指标。

由此，本实施例的静压轴承结构简单、制造成本低，其采用小孔节流的方式，结合承载活塞2位移的自动补偿机制以及独特的结构参数组合(如主腔室、副腔室直径、节流器孔径等)，使得静压轴承进入稳定工作状态后，在其承受的承载力发生变化时，承载活塞2均可以迅速回复到处于稳定工作状态时的初始位置，以实现承载活塞2位移的自动补偿，以使得静压轴承具有准无限刚度的性能指标。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，本实施例中，所述副腔室11的底面积比支撑块1底面的有效承载面积大5-10％(优选为6-8％，特别优选为6.5％)。

如图3所示，所述支撑块1底面的有效承载面积为封油面中线X所围区域A1的面积，则油膜作用于支撑块1底面的作用力为主腔室12内油压与所述有效承载面积的乘积。因为所述副腔室11的底面积比支撑块1底面的有效承载面积大5-10％，且主腔室12与副腔室11内油压相通，使得静压轴承内部油压作用在副腔室11内的压力略大于油膜作用于支撑块1底面的压力及作用于承载盘7的外载荷，以此结合承载活塞2的位移自动补偿使得静压轴承达到准无限刚度。

进一步的，在静压轴承处于不同外载荷作用下时，弹性元件4的弹性力始终等于副腔室11底面积与有效承载面积之间的差值与内部油压的乘积，且外载荷作用力增大将导致油膜厚度减小。由此，本实施例中，通过选择合适刚度的弹性元件4与合适的副腔室11底面积，使得当外载荷对静压轴承整体施加的承载力时，弹性元件4的弹性力变化刚好等于油膜 L刚度与副腔室11底面积和有效承载面积之间的差值的乘积，以使得承载活塞2的空间高度不随承载力的变化而发生改变，以实现承载活塞2的位移自动补偿。

实施例3：

本实施例提供了一种静压导轨组件，如图4所示，其包括：导轨21、溜板8、压力表9、调节阀10、液压泵20以及实施例1或2中所述的静压轴承；

其中，所述溜板8连接所述承载圆盘7，所述导轨21与所述支撑块1底面间隙配合，外部供油设备中的高压油通过转接头6流入节流器5，再经过节流器5进行节流，使得高压油压力降低，以成为低压油，低压油再通过第二通道S2、第一通道S1灌满整个主腔室12及副腔室11，且在支撑块1底面与导轨10之间形成油膜，以支撑上部溜板8。

进一步的，所述液压泵20分别连接所述转接头6与外部供油设备，用于将高压油泵入所述节流器5，且所述压力表9、调节阀10均设置在静压轴承外部的高压油输送通路上，分别用于监测静压轴承内部油压和调节油压。

综上所述，本发明的静压轴承结构简单、制造成本低，其采用小孔节流的方式，结合承载活塞位移的自动补偿机制，使得静压轴承进入稳定工作状态后，在其承受的承载力发生变化时，承载活塞均可以迅速回复到处于稳定工作状态时的初始位置，以实现承载活塞位移的自动补偿，以使得静压轴承达到准无限刚度的性能指标，以满足精密控制的需要。

需要说明的是，上述实施例1至3中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本申请的保护范围。且在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种静压轴承，其特征在于，包括：

以及节流器，其安装于所述支撑块中，且所述节流器的出口通过第二通道与所述第一通道连通，入口连通外部供油设备；

在稳定工作状态下，对所述承载盘施加承载力时，所述承载活塞的位置不变，使得静压轴承整体具有准无限刚度的性能指标。

2.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，所述主腔室的深度为1-3mm，直径为10-25mm。

3.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，所述副腔室直径为20-35mm。

4.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，所述弹性元件包括蝶形弹簧。

5.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，所述节流器的节流孔孔径为0.25-0.35mm。

6.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，外部供油设备向所述主腔室及副腔室供油后，在支撑块底面与承载面之间形成有厚度为20-40μm的油膜。

7.如权利要求1所述的静压轴承，其特征在于，所述副腔室的底面积比支撑块底面的有效承载面积大5-10％。

8.一种静压导轨组件，其特征在于，包括：导轨、溜板以及权利要求1-7任一项所述的静压轴承；所述溜板连接所述承载盘，所述导轨与所述支撑块底面间隙配合。

9.如权利要求8所述的静压导轨组件，其特征在于，所述静压导轨组件还包括：压力表、调节阀以及液压泵；所述液压泵连接外部供油设备，用于将高压油泵入所述节流器，且所述压力表、调节阀均设置在静压轴承外部的高压油输送通路上，分别用于监测静压轴承内部油压和调节油压。