一种低温升的水润滑动静压轴承

摘要

本发明公开了一种低温升的水润滑动静压轴承，包括轴颈和轴承本体，在轴承本体内壁开设有至少两个周向均布的油腔，相邻油腔之间由周向封油面隔开，油腔与轴承本体的上、下端由轴向封油面隔开；所述油腔由深腔和浅腔构成，截面为阶梯形，润滑油从深腔流向浅腔，并通过轴颈带动流向周向封油面，在轴承本体内壁与轴颈之间形成油膜；其特征在于，在深腔内轴承本体一侧沿轴向至少设有两个进油孔和一个出油孔，进油孔与出油孔沿轴向交替设置，其中出油孔的数量不多于进油孔的数量；所述润滑油为水。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速精密机床主轴轴承，具体涉及一种深腔中有多个进出油孔并存的低温升的水润滑动静压轴承。

背景技术

根据高速主轴高刚度和高精度的要求，润滑轴承的间隙设计要尽量小(在10~20um之间)，润滑轴承中流体的内摩擦功耗引起的温度上升成为制约提高DN值(轴承直径与转速的乘积，用于衡量轴承的机械指标)的主要矛盾。采用水作为润滑剂，利用水的低粘度和大比热的物理特性和轴承在高速下的动压效应，使轴承在工作时温升低，并且能够提供足够的刚度和承载力。高速精密机床主轴水润滑动静压滑动轴承的腔型结构主要有阶梯腔轴承和螺旋槽轴承。

阶梯腔轴承利用阶梯的二次节流效应极大地增加动压效果，使轴承具有高刚度、高承载力的特点(张亚宾.“高速机床用水润滑动静压轴承设计研究”.西安交通大学硕士学位论文2008)，但当DN值大于1×10⁶时，由于阶梯腔轴承只有一个进油孔并且没有出油孔，油膜易于破裂且温升高，会极大影响其精度(郭策，孙庆鸿.“高速高精度数控车床主轴系统的热特性分析及热变形计算”.东南大学学报2005年3月第35卷第2期，自然科学版)。

目前所使用的阶梯腔水润滑动静压滑动轴承当DN值超过1×10⁶时，不仅在保证油膜完整性方面存在问题，而且在高刚度和低温升上存在很大的矛盾：首先为了防止水汽化后对轴承内表面腐蚀，必须保证完整的润滑油膜；其次为了保证稳定性和实现大切削功率，要求高刚度；最后为了保证机床主轴精度，轴承热变形要尽量小，要求低温升。

高速水润滑动静压轴承设计目标主要是油膜完整、高刚度和低温升。主轴轴承运行时，轴颈与轴瓦的相对速度极高(当主轴转速为40000rpm，主轴直径为60mm时，线速度已经达到125.6637m/s)。从而使高速轴承表现出四大特点：一、润滑油流周向速度极大，轴向速度很小，从而轴向布油困难，不易形成完整润滑油膜；二、很大的速度流，动压效应十分显著，适当的轴承结构可以达到很高的刚度；三、强剪切流的存在，使得润滑油内摩擦极大，而内摩擦是液体润滑轴承产生热的主要来源，从而润滑油温升很大；四、微间隙低轴向速度流使得轴承端面泄油量较小，内摩擦力产生的热量不易由泄油量及时带离轴承，轴承容易发热。

现有动静压轴承的油腔一般设在轴瓦中间，轴向对称，进油孔设在深腔中间，并且有且只有一个进油孔，高压润滑介质经过进油孔节流后流入深腔，在高速转动的轴颈带动下，在油腔中高速流动，当介质进入浅腔时流速下降，压力升高。阶梯腔中的深腔使介质能够充满油腔，浅腔使介质逐步减速升压，同时降低介质的紊流效应。事实上，轴承腔型结构各参数对轴承动静态性能影响各不相同：轴向封油边长度比越小，轴承的刚度越大，泄油量越大，摩擦功耗越低，温升越低；浅腔深度越大，轴承稳定性和承载力降低；油腔包角越大，轴承温升降低，刚度增大，但临界质量有所减小；深腔深度越大，轴承稳定性增强，温升降低；深腔宽度越小，轴承刚度承载力均增大，温升也增大。轴瓦各部位对轴承的动静态性能的影响也是不同的，周向封油面和浅腔是构成动压效应的主要条件，而轴向封油面主要是阻挡润滑介质从轴向流出。

发明内容

本发明的目的是根据机床主轴周向速度极大所引发的四大特点，提供一种满足机床主轴轴承的高刚度和低温升要求的、深腔中有多个进出油孔并存的水润滑动静压高速轴承。

为了达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种低温升的水润滑动静压轴承，包括轴颈和轴承本体，在轴承本体内壁开设有至少两个周向均布的油腔，相邻油腔之间由周向封油面隔开，油腔与轴承本体的上、下端由轴向封油面隔开；所述油腔由深腔和浅腔构成，截面为阶梯形，润滑油从深腔流向浅腔，并通过轴颈带动流向周向封油面，在轴承本体内壁与轴颈之间形成油膜；其特征在于，在深腔内轴承本体一侧沿轴向至少设有两个进油孔和一个出油孔，进油孔与出油孔沿轴向交替设置，其中出油孔的数量不多于进油孔的数量；所述润滑油为水。

上述方案中，所述轴承本体内壁最好开设有四个周向均布的油腔。所述进油孔的数量为2-6个，出油孔的数量比进油孔的数量少一个。

与现有技术相比，由于本发明在对轴承动态性能影响较小的深腔内沿轴向交替开设多个进出油孔，不仅有利于润滑油沿轴向展开防止油膜破裂，而且使得前一个油腔的热油流到下一个油腔的深腔的时候从出油孔泄流出去，来达到尽量小地影响刚度的前提下降低温升。多个进油孔的作用：一、多个进油孔沿轴向布置弥补了高速轴承周向速度流小的缺陷，有利于润滑油沿轴向展开形成完整油膜，有效防止油膜破裂引起水的汽化对轴瓦表面的腐蚀；二、减小供油压力，降低泵功耗。多个出油孔的作用：一、一个出油孔的泄油量能够达到端泄量的十几倍，多个出油孔能够极大增加泄油量，从而温升大大降低；二、多个出油孔(比进油孔少一个)沿轴向与进油孔交替布置，能够降低温度场轴向梯度。

附图说明

图1是本发明的轴向视图。

图2是图1周向展开图。

图1至图2中：1、进油孔；2、出油孔；3、进油孔；4、周向封油面；5、轴向封油面；6、深腔；7、浅腔；8、轴承本体；9、轴颈；Ω、轴颈旋转的切向速度。

图3是本发明的润滑膜流场分析图。其中图3a为单个油腔轴向一半的轴承表面润滑油速度流矢量场；图3b为深腔出油孔2所在位置周向截面速度流矢量场；图3c为浅腔周向截面速度流矢量场；图3d为深腔进油孔3所在位置周向截面速度流矢量场；图3e为进出油孔同处面的径向截面速度流矢量场。

图4是本发明与现有阶梯腔性能对比示例(DN＝2.4×10⁶，进油温度20℃，新结构选用两个进油孔一个出油孔，c表示轴承半径间隙)。其中图4a为等效刚度随偏心率变化曲线；图4b为临界质量随偏心率变化曲线；图4c为偏位角随偏心率变化曲线；图4d为承载力随偏心率变化曲线；图4e为泄油量随偏心率变化曲线；图4f为平均温升随偏心率变化曲线。

具体实施方案

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括轴承本体8以及开设在轴承本体8内壁上的四个由深腔6和浅腔7共同构成的阶梯油腔，四个油腔沿轴承本体8内壁周向均布。在深腔6中沿轴向交替开设有进油孔1，出油孔2和进油孔3，相邻油腔之间由周向封油面4隔开，油腔与轴承本体8的两端形成轴向封油面5。

高压润滑介质-水经由进油孔1和3进入深腔6并且与从周向前一个油腔流进来的热油(水)一起，在高速转动的轴颈9的带动下，一方面在深腔内混合，另一方面在油腔内沿周向高速流动。阶梯腔中的深腔6使润滑介质能够充满油腔，深腔6与浅腔7交界处膜厚突变，对润滑介质进行第二次节流，从而油腔中的润滑介质减速升压同时降低介质的紊流效应。由于高速主轴的线速度已经达到100m/s以上，并且在十几微米的微约束空间内，水的流动方向主要沿周向，因此水的端泄量小，导致温升非常大，而现有结构的高速轴承很少利用高速轴承周向流极强的特点来扬长避短。事实上，轴瓦各部分对轴承动静态特性的影响是不同的，周向封油面4和浅腔7构成动压效应形成的主要条件，对其深度和连续性的改变会极大地影响轴承的承载力和刚度；深腔6在大深度小宽度时能保证油膜完整和轴承稳定。深腔内开设的出油孔2，一方面前一个油腔的热油流到下个油腔深腔的时候从出油孔泄流出去，避免二次加热，另一方面在既不影响油膜完整性和高刚度要求的同时极大的增加了轴承的泄油量，从而大大降低温升，使得轴承热变形在容许限度内保证机床主轴精度。同时深腔内沿轴向对称开设有两个进油孔1和3，双孔供油一方面保证油膜完整性，另一方面可以大大减小供油压力。

图3是商用流体分析软件Fluent对单个油腔分析的速度矢量场：由图3a可看出，润滑油在轴颈的带动下沿周向高速流动，轴向速度小；由图3b可看出，前一个油腔流进来的热油在深腔内混合后大部分以很高的速度从出油孔泄流出油腔；由图3c可看出，浅腔内润滑油以层流为主。由图3d可看出，进油孔进来的冷油与前一个油腔流进来的热油充分混合。由图3e可看出，进油孔进来的润滑油易于充满油腔不会完全从出油孔泄流出轴承。由这些速度矢量场图可以看出，对于高速轴承在同一个深腔内进油孔与出油孔共存的结构设计是合理的。

如图4所示，通过计算本发明结构与相同尺寸的阶梯腔结构轴承的动静态特性可以说明本发明在保证油膜完整性和轴承稳定性以及降低温升上的优势，当半径间隙c＝15um时等效刚度达到2.2651×10⁹N/m以上，当半径间隙c＝10um时等效刚度达到6.7457×10⁹N/m以上，当半径间隙c＝15um时平均温升在9℃以内。由图4a和图4b可看出，本发明新结构等效刚度降低在5.8115％以内但临界质量却增加23.6040％，轴承稳定性增强，这对高速轴承来说非常重要；由图4c可看出，偏位角减小说明本发明新结构的主轴精度提高；由图4d可看出，虽然承载力有所下降但对大部分机床来说新结构的承载力已经满足外载荷的要求；由图4e和图4f可看出，泄油量增加150.2993％以上，平均温升降低56.1771％。当DN值为2.4×10⁶时，阶梯轴承需要8Mpa的供油压力才能形成比较满意的完整油膜，而本发明新结构轴承只需要6Mpa的供油压力已经能够形成非常好的完整油膜。当DN值更大时，刚度亦会进一步提高，通过增加进油孔的数量能保证油膜完整性和降低供油压力，通过增加出油孔的数量泄油量会大大增加从而极大降低轴承温升。