一种用于超高速电主轴的径向推力联合轴承及其设计方法

本发明属于滑动轴承，具体涉及一种用于超高速电主轴的径向推力联合轴承及其设计方法。

背景技术：

1、目前，高速数控加工技术是实现优质、高效、低耗、柔性、环保加工的一项先进制造技术，高速数控机床是实现高速加工的先进制造装备，而高速数控机床的首要关键技术是高速大功率电主轴，其中高速精密轴承是电主轴的支承核心。滑动轴承具有承载能力大、工作平稳、可靠性高、噪声低、寿命长等优点，对高速电主轴的性能具有决定性的影响。目前，动静压滑动轴承在高速机床电主轴中应用非常广泛。

2、在高速滑动轴承领域，目前存在着多个问题。

3、1.润滑问题、温升问题。高速工况下一般采用低粘度润滑介质，由于介质黏度较低，在主轴转速较高时会产生严重的紊流现象，润滑介质内摩擦现象加剧，造成轴承温升增大。

4、2.可靠性问题。高速工况下滑动轴承的润滑油膜容易出现破裂，引起润滑介质内部出现气蚀现象，降低轴承的可靠性，使油膜稳定性和抗过载能力都较低。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于超高速电主轴的径向推力联合轴承及其设计方法，其能够降低温升、提高轴承稳定性、提高抗过载能力的动静压滑动径向推力联合轴承。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，包括动静压轴承以及设置在动静压轴承内的主轴，动静压轴承的周向上开设有小孔节流器；

4、动静压轴承在与主轴接触表面之间开设有四个动静压油腔，每个动静压油腔由一个静压腔和一个动压腔首尾相接组成，且动静压油腔通过动静压轴承上小孔节流器节流供油；在动静压轴承两端面开设斜平面推力轴承，用于承受主轴双向轴向载荷。

5、本发明进一步的改进在于，四个动静压油腔周向均等布置。

6、本发明进一步的改进在于，静压腔为等深矩形静压腔，动压腔为斜面矩形动压腔。

7、本发明进一步的改进在于，斜平面推力轴承无内封油边，且两侧斜平面沿动静压轴承中心面镜像对称，能够承受双向轴向载荷，防止主轴轴向窜动。

8、本发明进一步的改进在于，在动静压轴承的端面开设有斜平面推力油腔，斜平面推力油腔旁开设有储油槽，斜平面推力油腔与储油槽相连构成承载区域，8个承载区域沿周向均等布置。

9、本发明进一步的改进在于，工作时，润滑油经小孔节流器节流进入到静压腔，随后进入动压腔，经封油边侧泄出的润滑油进入到轴承两侧的斜平面推力轴承。

10、一种应用于高速电主轴上的径向推力联合轴承设计方法，该方法基于所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，包括以下步骤：

11、s1.根据轴承工况确定宽径比b/d，其中b为轴承宽度，d为轴承直径；

12、s2.根据轴承工况确定间隙比λ，参照轴颈直径确定轴承最小半径间隙h0；

13、s3.根据轴承静特性要求确定深腔深度t、深腔包角θ1和深腔轴向封油边宽度a；

14、s4.根据轴承动特性要求确定浅腔入口深度t、浅腔包角θ2和浅腔宽度b；

15、s5.根据轴承工况确定推力瓦块包角θ3、斜面包角θ4、斜面坡高h以及内外封油边宽度b1、b2；

16、s6.根据轴承工况确定润滑油粘度μ；

17、s7.根据轴承工况确定小孔直径d；

18、s8.根据轴承工况确定轴承供油压力ps；

19、s9.求解二维的雷诺方程和能量方程，计算轴承的压力分布、温升、刚度和临界质量；润滑油粘度通过温粘方程计算；

20、s10.计算轴承受力及最大油膜压力，最大油膜压力通过前述步骤求出的压力分布求最大值得到；

21、s11.计算润滑油流量曲线；

22、s12.计算油膜刚度曲线；

23、s13.计算温升曲线；

24、s14.参数安全性校核，确定温升、承载力、功率损耗、润滑油流量是否满足设备运行要求；如果不满足要求：先确定更改进油压力和更改润滑油类型看是否能够改善润滑特性；其次考虑更改小孔直径；如果还无法改善，则重新修改初始宽径比及轴承半径间隙，返回第一步重新计算；

25、s15.通过迭代至设计指标达到工况需求，使摩擦功耗和泵功耗之和最小，则获得轴承最佳设计参数。

26、本发明进一步的改进在于，所述轴承的工作原理：在低速工况下，以静压为主，动压为辅；在设计工况下，以动压为主、静压为辅。

27、本发明进一步的改进在于，该方法考虑径向轴承与推力轴承几何参数耦合设计，通过二维有限元联合求解径向及双侧推力润滑油膜雷诺方程，确定轴承刚度阻尼特性；通过求解能量方程确定轴承温升及功率损耗；基于所求解的特性参数，以等寿命为约束，进行多目标优化，确定轴承最佳设计参数。

28、本发明进一步的改进在于，步骤s9的计算方法如下：

29、

30、式中x，y表示轴承周向和轴向坐标；ρ表示流体的密度；p指油膜压力；h指油膜厚度；u指相对运动速度；μ指流体粘度；t指时间；re指雷诺数。

31、本发明至少具有如下有益的技术效果：

32、1.本发明提出了一种用于高速电主轴的新型动静压滑动轴承，在低速工况下，以静压为主，动压为辅。在设计工况下，工作原理以动压为主，静压为辅助。该轴承既可承受径向载荷，也可承受双向轴向载荷，具有精度高、温升低、稳定性好、抗震缓冲性能较好以及轴承不容易抱死的特点。

33、2.本发明提出了一种高速电主轴的径向推力联合轴承设计方法，解决了传统联合轴承设计过程中参数难以确定，特性参数迭代计算过程复杂繁琐的问题；

34、3.本发明提出的设计方法包含了轴承设计过程中的宽径比、半径间隙、深腔深度、深腔包角、深腔宽度、浅腔入口深度、浅腔包角、浅腔宽度、小孔直径、润滑油黏度、供油压力的选取，以及对油膜最大压力、承载力、最大温升、润滑油流量、功率损耗、刚度、临界质量的计算，更全面地校核了轴承的各项参数指标，使设计目标安全性更高。

技术特征：

1.一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，包括动静压轴承(1)以及设置在动静压轴承(1)内的主轴(2)，动静压轴承(1)的周向上开设有小孔节流器(3)；

2.根据权利要求1所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，四个动静压油腔周向均等布置。

3.根据权利要求1所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，静压腔(4)为等深矩形静压腔，动压腔(5)为斜面矩形动压腔。

4.根据权利要求1所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，斜平面推力轴承无内封油边，且两侧斜平面沿动静压轴承(1)中心面镜像对称，能够承受双向轴向载荷，防止主轴(2)轴向窜动。

5.根据权利要求1所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，在动静压轴承(1)的端面开设有斜平面推力油腔(8)，斜平面推力油腔(8)旁开设有储油槽(6)，斜平面推力油腔(8)与储油槽(6)相连构成承载区域，8个承载区域沿周向均等布置。

6.根据权利要求1所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，其特征在于，工作时，润滑油经小孔节流器(3)节流进入到静压腔(4)，随后进入动压腔(5)，经封油边侧泄出的润滑油进入到轴承两侧的斜平面推力轴承。

7.一种应用于高速电主轴上的径向推力联合轴承设计方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至6中任一项所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种应用于高速电主轴的新型动静压滑动轴承结构，其特征在于，所述轴承的工作原理：在低速工况下，以静压为主，动压为辅；在设计工况下，以动压为主、静压为辅。

9.根据权利要求7所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承设计方法，其特征在于，该方法考虑径向轴承与推力轴承几何参数耦合设计，通过二维有限元联合求解径向及双侧推力润滑油膜雷诺方程，确定轴承刚度阻尼特性；通过求解能量方程确定轴承温升及功率损耗；基于所求解的特性参数，以等寿命为约束，进行多目标优化，确定轴承最佳设计参数。

10.根据权利要求7所述的一种应用于高速电主轴的径向推力联合轴承设计方法，其特征在于，步骤s9的计算方法如下：

技术总结
本发明公开了一种用于超高速电主轴的径向推力联合轴承及其设计方法，包括动静压轴承以及设置在动静压轴承内的主轴，动静压轴承的周向上开设有小孔节流器；动静压轴承在与主轴接触表面之间开设有四个动静压油腔，每个动静压油腔由一个静压腔和一个动压腔首尾相接组成，且动静压油腔通过动静压轴承上小孔节流器节流供油；在动静压轴承两端面开设斜平面推力轴承，用于承受主轴双向轴向载荷。本发明也可以根据实际轴承的运行情况需要，通过液压调节的方式改变进油压力达到改变轴承的运行特性，使同一个轴承可以适应于机械的各种运行情况，提高工业机械的稳定性。

技术研发人员：裴世源,喻荣江,郑文斌,康文静,焦培林
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6