超精密機(jī)床自補(bǔ)償液體靜壓軸承設(shè)計(jì)與特性研究.pdf

1、超精密加工技術(shù)與超精密機(jī)床的發(fā)展對(duì)機(jī)床軸系的靜、動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求，液體靜壓軸承是唯一可以綜合實(shí)現(xiàn)高精度、高剛度和大阻尼的支承方式，因而在高性能精密機(jī)床中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。液態(tài)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)與主軸是超精密機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其研制具有非常重要的意義。本文著眼于液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)與主軸的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了自補(bǔ)償形式的液體靜壓軸承，并采用有限元方法對(duì)其靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了理論研究，最終將其應(yīng)用于靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)制造并測(cè)試了其剛度和運(yùn)動(dòng)精度。論文主要目的是系統(tǒng)研

2、究自補(bǔ)償圓錐液體靜壓軸承的設(shè)計(jì)方法、計(jì)算理論和特性參數(shù)，對(duì)高精度、高剛度和大阻尼的靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)與主軸系統(tǒng)研制提供理論指導(dǎo)。論文的研究工作和主要結(jié)論包括以下幾個(gè)部分：
　　1.從自補(bǔ)償節(jié)流原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了節(jié)流單元進(jìn)油的角面節(jié)流自補(bǔ)償液體靜壓軸承，將傳統(tǒng)的對(duì)置自補(bǔ)償液體靜壓軸承中常用的節(jié)流單元結(jié)構(gòu)引入角面節(jié)流自補(bǔ)償軸承中，從而避免了節(jié)流表面上潤(rùn)滑劑擴(kuò)散，且未引入對(duì)置油墊自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)增加軸向長(zhǎng)度的缺點(diǎn)。該類型軸承結(jié)構(gòu)緊湊，零件簡(jiǎn)單，易于模塊化

3、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，而且軸承性能只需靠間隙來(lái)保證，因而有可能實(shí)現(xiàn)很高的剛度和精度，適用于精密機(jī)床軸系應(yīng)用。
　　2.建立了自補(bǔ)償圓錐液體靜壓軸承理論模型，并基于小擾動(dòng)理論研究了軸承靜、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算方法，以此為基礎(chǔ)研究了節(jié)流方式對(duì)液體靜壓軸承承載力、流量、剛度和阻尼系數(shù)的影響。結(jié)果表明：自補(bǔ)償液體靜壓軸承的承載能力高于固定節(jié)流軸承；在小偏心條件下其剛度系數(shù)大于固定節(jié)流軸承，但偏心對(duì)剛度的影響明顯大于固定節(jié)流軸承；徑向自補(bǔ)償靜壓軸承阻尼

4、系數(shù)大于固定節(jié)流軸承，軸向自補(bǔ)償靜壓軸承阻尼系數(shù)介于毛細(xì)管/狹縫節(jié)流和小孔節(jié)流軸承之間。
　　3.采用流量平衡理論研究了自補(bǔ)償液體靜壓軸承剛度最大化的基本條件，即選擇合適的節(jié)流比。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，軸向最佳節(jié)流比為2，徑向最佳節(jié)流比是內(nèi)流系數(shù)的函數(shù)，其數(shù)值略小于2。根據(jù)功率方程討論了盡可能減小軸承功耗的條件，結(jié)果表明軸承間隙和潤(rùn)滑油粘度的選用都不能太小。
　　4.研究了初始節(jié)流系數(shù)、圓錐角度和油腔尺寸對(duì)于自補(bǔ)償液體靜壓

5、轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的靜、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的影響，結(jié)果表明：隨著節(jié)流系數(shù)的增大阻尼系數(shù)減小，但節(jié)流系數(shù)大于某一數(shù)值后對(duì)承載力和剛度的影響不顯著，因而節(jié)流系數(shù)的選擇范圍可以適當(dāng)放寬；圓錐角越大軸承的軸向承載能力、剛度和阻尼系數(shù)越大，圓錐角越小軸承的徑向承載能力、阻尼和小偏心下徑向剛度系數(shù)越大；油腔尺寸越大，軸承的承載力和剛度也越大，但是軸承消耗的潤(rùn)滑油流量隨之增加，且軸承的阻尼系數(shù)有所降低。
　　5.研究了自補(bǔ)償液體靜壓軸承在高速運(yùn)動(dòng)下的速度特性，

6、結(jié)果表明：高速運(yùn)動(dòng)下流體的慣性會(huì)降低油膜力，但是動(dòng)壓效應(yīng)會(huì)增大油膜力，因而隨著轉(zhuǎn)速的提高軸承承載力增加，轉(zhuǎn)子的偏位角增大，流量有所減少；軸承的交叉剛度和正交阻尼均隨著轉(zhuǎn)速升高而增大，轉(zhuǎn)速較高偏心較大時(shí)軸承在受載方向可能出現(xiàn)負(fù)的正交剛度；節(jié)流系數(shù)選擇最好在最佳節(jié)流系數(shù)附近取值，過(guò)大或過(guò)小的節(jié)流系數(shù)均可能對(duì)軸承的承載力、剛度和阻尼不利，但對(duì)穩(wěn)定閾值的影響不顯著；在小偏心下自補(bǔ)償液體靜壓軸承的穩(wěn)定質(zhì)量閾值遠(yuǎn)大于毛細(xì)管或者小孔節(jié)流軸承，但是在大