幾種典型液體動靜壓軸承結構特點與應用

2012-05-25

　　液體動靜壓軸承精度高、剛度大、壽命長、吸振抗震性能好，主要用于精密加工機械及高速、高精度設備的主軸。既可用于舊機床改造，也可用于新機床配套。采用動靜壓軸承可以完全恢復機床因主軸軸承問題而喪失的加工精度和表面粗糙度；提高機床主軸精度和切削效率；并可多年連續使用而不需維修。多年來我國一些企業采用動靜壓軸承為新機床配套和進行國產和進口舊機床設備改造，均獲得了滿意的使用效果和顯著的經濟效益。
　　液體動靜壓軸承綜合了靜壓軸承的優點，消除了這兩種軸承的不足。其特點是采用整體式軸承與表面深淺腔結構油腔軸承系統工作時主軸被一層壓力油膜浮起，主軸為經電機驅動已懸浮在軸承之間發生機械摩擦與磨損，從而提高軸承壽命且有良好的精度保持性。當電機驅動主軸旋轉時，軸承油腔內由于階梯效應自然形成動靜壓承載油膜，軸承成為具有靜壓壓力場的動壓滑動軸承。與三塊、五塊瓦相比，動靜壓軸承為整體式使結構，軸承與箱體孔接觸面積大，為剛性連接，是油膜剛度得到充分的發揮利用。主軸工作時，油膜剛度是軸承靜態剛度與動態剛度的疊加，有很強的承載能力。壓力油膜的“均化”作用可使主軸回轉精度高于軸頸和軸承的加工精度。
　　液體動靜壓軸承所采用油腔結構、節流器與靜壓軸承相比均不相同。靜壓軸承采用的固定節流器有“小孔”、“毛細管”等，可變節流器大多設置在軸承外部的靜止部位，結構復雜，使用時常因節流器出面截流面太小，油液雜質易堆積而發生堵賽。
　　早期設計的動靜壓軸承為淺腔結構，分有節流器和無節流器兩種。圖1為節流器的動靜壓軸承，深腔與淺腔形成靜壓腔，淺腔兼備節流功能。壓力油ps進入中間環槽后，流入深腔和淺腔，經兩端的軸向封油面排出，當主軸在軸承中高速旋轉時，由于淺腔同軸向封油面臺階及主軸中心的軸承中微小偏心，自然形成楔形油膜而產生動壓承載油膜。主軸只能按圖1所示W方向旋轉。

有節流器的動靜壓軸承

　　圖2為純淺腔結構的動靜壓軸承。壓力又通過環形槽進入兩側的若干淺腔。該軸承結構簡單，但靜壓承載力較低，可雙向旋轉。

純淺腔結構的動靜壓軸承

　　上述兩種動靜壓軸承適用于高速輕載的機床主軸。
　　圖3是孔式環面節流深淺腔動靜壓軸承的結構簡圖。僅有空采用φ1~φ1.3小孔，小孔直徑與主軸間隙組成的圓柱面和淺腔構成兩次節流。同前兩種動靜壓軸承相比，主軸的靜態承載力增強。如需進一步提高軸承承載力可在軸承上開制軸向回油槽（圖3序線所示），軸承的供油量會有所增加。這類軸承適用于中速中載的機床主軸，如MG1432外圓磨、MM7150平磨、M1080無心磨、扎輥磨等。

孔式環面節流深淺腔動靜壓軸承

　　圖4為柱銷式內反饋動壓軸承的結構簡圖，圖5為其節流器結構簡圖。節流器由圓臺和主軸間隙構成，具有薄膜反饋、滑閥反饋及內部反饋節流器的性能。由于節流器的阻尼是隨外載荷變化的所以軸承既具有Z佳靜壓承載能力，又可大大降低節流器的摩擦功耗，高速時還可Z大限度地發揮動壓效應。該軸承在低速及中高速時均有很強的承載能力，適用于載荷與速度變化范圍大的機床主軸。主軸低速重載回轉時，對軸承動壓承載能力要求較低，此時可采取增加軸承深腔面積、減少淺腔面積和開設軸向回油槽的方法來滿足對軸承鋼度和載荷能力的要求。

柱銷式內反饋動壓軸承

節流器

　　由于動靜壓軸承是利用靜壓和動壓的疊加作用，為了適應各類機床主軸的性能要求，軸承的結構形式可按需要進行設計，有些接近于靜壓軸承，有些則更相似動壓軸承。這進一步說明，動靜壓軸承不僅比純靜壓軸承或純動壓軸承具有更好的性能，而且能適應不同類型機床主軸工作時對剛度及承載能力的亞要求。
　　現在使用的孔式環面節流器與圓柱銷式內反饋式節流器都加工在軸承體上，不需要增設外部油路，而且是在軸頸與軸承孔的間隙進行自然節流，工作時軸頸與軸承的相互運動是潤滑油雜質不易堆積。該類節流器使用既方便要安全，還免除了原靜壓軸承節流器容易堵塞帶來的麻煩。
　　圖6為徑向止推動靜壓軸承的結構簡圖。這類軸承可以同時承受徑向力和一個方向的軸向力。它是在徑向動靜壓軸承基礎上增加止推動靜壓軸承組成的所謂聯合軸承。動靜壓止推軸承的止推面上設有動壓油腔和動靜壓油腔，采用孔式環面節流器，油腔由深腔和淺腔組成。主軸軸肩輿止推棉被一層靜壓力油膜隔開，主軸旋轉時即可自然形成動壓承載油膜承受軸向載荷。　根據主軸結構及工作性能要求，可在主軸端各用一個聯合軸承，或在主軸一端用一聯合軸承和一個平面動靜壓止推軸承來實現。
　　如果舊機床主軸本身帶有止推結構，改造時可保留原則結構省去動靜壓軸承。如MQ8260曲軸磨床改造就利用原主軸上得止推結構。

徑向止推動靜壓軸承

　　圖7為圓錐動靜壓軸承的簡圖，它可同時承受徑向力和軸向力，只須將其放置在軸兩端原徑向軸承的位置就能起到徑向止推軸承的作用，既可以省去一對止推軸承使主軸結構大為簡化，還可減少總的摩擦面積，降低摩擦功耗及減小供油量。這種軸承可以根據主軸的工作的情況選配任何一種節流器，可制造成有軸向回油槽（圖7虛線所示）或無軸向回油槽結構。同時該軸承的裝配，調整極為方便。由于動靜壓軸承重要參數“軸承間隙”可在軸承結構設計、制造加工完成后，在裝配時通過調整圓錐軸承在主軸上的軸向位置來改變，使得軸承的承載能力、剛度、流量處于理想狀態。圓錐動靜壓軸承的軸向承載力不如平面止推動靜壓軸承，因此常用于軸向承載要求不高的場合。由于其功耗小，特別適用于高速內圓磨頭主軸系統，如M2110內圓磨頭。近年來已應用在電主軸和內溝道磨床中。

圓錐動靜壓軸承