[科普中国]-液体静压轴承

简介

主轴的滑动轴承，按其产生油膜压强的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。动压轴承是靠轴的转动形成油膜而具有承载能力的。承载能力与滑动速度成正比，低速时，承载能力低。静压轴承油膜较厚，对轴颈和轴瓦的圆度误差能起均化作用(图1)故静压轴承还用于精度要求较高的主轴。静压轴承需要一套供油设备(液压泵、电动机、油箱)对油的洁净度要求也较高。所以能用动压轴承应尽量用动压轴承，只有动压轴承不能满足要求(如低速，转速变化大，高精度)时才用静压轴承1。

1862年，法国的L.D.吉拉尔发明液体静压轴承，指出摩擦系数可小至1/500。1917年，英国科学家瑞利发表求解液体静压推力轴承的承载能力、流量和摩擦力矩方程。1938年，美国在大型天文望远镜上应用液体静压轴承，承载总重量500吨,每昼夜转动一周，驱动功率仅1/12马力。1948年法国开始把液体静压轴承用于磨床上。现代液体静压轴承已成功地用于重型、精密、高效率的机器和设备上。

分类（1）液体静压轴承按回油方式分：有周向回油，无周向回油，腔内孔式回油。

（2）液体静压轴承还可分成：径向轴承、推力轴承和径向推力轴承（如图2所示） 。它有供油压力恒定和供油流量恒定两种系统。供油压力恒定系统较为常用。

作用原理供油压力恒定系统的液体静压轴承和轴瓦的构造。外部供给的压力油通过补偿元件后从供油压力降至油腔压力，再通过封油面与轴颈间的间隙从油腔压力降至环境压力。多数轴承在轴不受外力时，轴颈与轴承孔同心,各油腔的间隙、流量、压力均相等，这称为设计状态。当轴受外力时轴颈位移，各油腔的平均间隙、流量、压力均发生变化，这时轴承外力与各油腔油膜力的向量和相平衡。补偿元件起自动调节油腔压力和补偿流量的作用，其补偿性能会影响轴承的承载能力、油膜刚度等。供油压力恒定系统中的补偿元件称为节流器，常见的有毛细管节流器、小孔节流器、滑阀节流器、薄膜节流器等多种。供油流量恒定系统中的补偿元件有定量泵和定量阀。补偿元件不同，轴承载荷-位移性能也不同。由于轴的旋转，在轴承封油面上有液体动压力产生，有利于提高轴承的承载能力。这种现象称为动压效应，速度越高，动压效应也越显著。

设计准则设计液体静压轴承时应根据要求性能进行优化，如要求承载能力最大，油膜刚度最大，位移最小,功耗最少等。为增大轴承的动压效应和减少流量,液体静压轴承的封油面宜适当取宽些；为提高轴承的油膜刚度，轴承间隙宜适当取小些；轴承的温升、流量与供油压力成正比，泵功耗与供油压力的平方成正比，故在满足承载能力的前提下供油压力不宜过高。设计状态下的油腔压力与供油压力之比称为压力比。它是影响轴承性能的重要参数，可根据对承载能力、油膜刚度和位移等不同要求选取。按设计状态下油膜刚度最大的原则选取时,压力比为：毛细管节流器0.5，小孔节流器 0.586。润滑油粘度应根据轴承的摩擦功耗和泵功耗之和为最小的原则选取。对于中等以下速度的轴承，摩擦功耗与泵功耗之比为1～3时，总功耗为最小。

静压轴承技术的发展随着机器向高效、精密的方向发展，静压轴承技术也面临挑战。

（1）对于静压轴承，温度的影响严重地存在。要采取降温措施。设计时应考虑由于材料热膨胀系数的差异引起轴承间隙的变化。

（2）进一步地完善磨床主轴结构，采用合适的油腔数目、参数，磨削精度可以进一步提高。

（3）为进一步提高轴系的动态刚性，目前机床静压轴承正向提高供油压力方向发展，以适用于粗精加工的需要。

（4）在高速、重载的下工作的静压主轴，要综合考虑动压效应、热效应、挤压膜效应、油可压缩性效应，以及轴与轴承弹性变形的影响。

（5）静压轴承的标准化，系列化设计和作为通用零件出售，是静压技术成熟的标志。磨床静压主轴标准化，系列化设计等。这些都标志着我国静压技术发展进入了一个新阶段。

（6）尽管静压轴承的制造已不困难，但轴承和主轴的制造工艺还有很大的改进失地。其基本要求是如何保证和提高前、后径向轴承的同心度和推力轴承与径向轴承内孔的垂直度。

（7）静压轴承供油系统中，过滤器还有进一步改进研制的必要。过滤器精度如能控制在5微米以下，就能确保静压主轴的性能和使用寿命。

（8）还应从事应用静压主轴改进现有制造工艺的研究，如要获得与一般主轴相同的制造精度，对于砂轮主轴可采用大粒度砂轮，快速修正来提高效率，也可用CBN砂轮；可以合并工序，减少磨削工序，在产品质量允许的情况下，实现粗精一次装夹磨出:甚至实现以磨代车或以磨代超等工艺。以提高效率1。