锥形静压轴承流场的数值模拟及性能分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景随着现代工业的发展，旋转机械越来越趋向高速和大功率，对轴承各方面的性能要求也越来越高。由于静压轴承具有承载能力大、运行稳定可靠等特点，被广泛应用到重型装备中并成为核心部件，而其润滑性能的优劣直接影响到整个机床运行的可靠性、寿命和经济指标。相应地，随着对流体动力润滑轴承的研究日益向广度和深度方向推进，学者们发现静压轴承的润滑问题对轴承的使用寿命及可靠性都有着很大的影响。当前，由于各种先进制造技术的快速发展，特别是高速切削技术的出现，对机床类的主轴要求越来越高。因此出现了很多新的适合不同场合的静

2、压轴承，例如：圆柱形静压轴承、球形静压轴承、锥形静压轴承等。而锥形静压轴承以其特有的优点，无论在低速重载还是在高转速、高精度场合均有应用，但是对锥面间隙流场进行系统分析的文章很少，到目前为止，锥面间隙流场只是采用了近似迭代法对锥坐标下的N-S偏微分方程进行了简化推导，轴承参数计算也是在一些假设和近似线性化的基础上进行的，因此对锥形静压轴承的性能分析和结构优化显的尤为重要。希望能对锥形静压轴承在机件磨削，水力机械及军事领域的推广应用起促进作用。锥形静压轴承多为液体静压轴承，其回转精度高、使用寿命长、油膜刚度高、抗振性好；在低速重载条件下还能实现节

3、能、减摩和降耗。圆锥液静压轴承是一种向心推力联合轴承，独特之处是能同时承受径向和轴向载荷，与圆柱和圆盘组成的静压主轴相比，占空间小、结构简单，摩擦功耗小、温升低，推力受离心力的影响小，轴承间隙易调整，也易获得较好的动静压混合轴承的特性，这种结构是由两锥瓦的锥形油室中同时产生径向推力和轴向 推力控制主轴的轴向和径向位移，使主轴处于平衡状态，比圆柱型轴瓦静压 轴承少了两个油室。调整轴和轴瓦的装配间隙相当方便，只需将调整垫片加 厚或减少就可以获得理想的配合间隙，很容易保证其节流比。比圆柱型静压 轴承减少了两个直径大，线速度较高的推力支承，从而降低了摩

4、擦功耗和温 升。成对使用不仅可承受相反方向的轴向力，而且抗倾侧力矩的特性好，并 能得到保证。是很有前途和较高使用价值的一种可系列化的静轴承[1]。-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.1国内外研究现状及分析国外一些学者曾对锥形静压轴承进行过探讨，F.M.Stansfield在其专著中涉及到锥形静压轴承，为了简化计算，他们提出如果轴承的锥角不大，即半锥角α<90时，将锥形轴承看作当量圆柱轴承，其直径等于圆锥轴承孔大小端直径的平均值；LesterJ.Nypan等人则将封油面上的压力按腔压的一半进行近似计算；W.B.Rowe和J.P.O′Donog

5、hue在论文中对锥轴承的结构布置作了介绍，并列出了几个有关参数间的关系图线，但未对锥轴的承载能力等进行具体论述[1]。在高速高精度的机械设计中，以上方法显然已经不适合，这就要求寻找更准确计算锥形间隙油膜压力分布的新方法。而随着大型商业软件的开发，使微小间隙的压力模拟能较快的实现。郑州工学院的王淮柱、徐晓慧在双头内圆磨削及锥形静压轴承主轴实验研究的基础上提出的工件主轴双头内圆磨削磨床的新设计方案，对发展我国新型机床产品有参考价值，此主轴是“背靠背”分开布置得锥形液体静压轴承结构，由于运用了在中文Windows环境下的CAD系统，可以顺利的提出腔式

6、锥形静压轴承的合理设计，使其特性进一步改善，对推动液体静压与动静压支承的设计研究，并使成果尽快的付诸与工业化、商品化也具有现实意义他们研究了双头孔精密磨削的新方法，精密机床主轴套筒等零件的双头孔用V型块支承调头磨削再经人工研磨来保证其加工精度的工艺，其工艺长、劳动强度大、效率低、精度不稳定，是长期存在的一个值得研究的问题。如何满足高同轴度是阻碍双头锥形静压轴承工业化生产的一个难题，从理论上讲，只有在一次装卡加工各回转表面（包括内孔）及工件主轴有较高的回转精度的条件下，才能保证各回转表面的同轴度误差在允许范围内，所以王怀柱，徐晓惠将工件主轴设计成

7、空心结构，工件固定在主轴内，实现了双头孔在一次装卡中磨削，并经过中间试验研究，取得了较满意的成果，他们根据筒削原则，其中试研究方案采用工件主轴作纵向进给、磨头作横向进给，依次磨削的方式，在机床上两个磨头应同时作纵横向进给，而工件主轴仅作回转运动。他们经过磨削φ55mm双头孔，圆度误差0.54μm，（原西德SpandowSeries公司双头磨床的精度为2μm），表面粗糙度Ra=0.032μm，同 轴度是在日本A221三座标测量仪检测的，其轴心线（被测双头孔）与公共 轴线的最大距离各为3.2和3.4μm（注：该测量仪本身的重复精度检测误差 为±4μ

8、m），因倾侧导致孔在120mm长度伤感的不柱度为1.4μm，而且为了-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文提高锥形静压轴承的设计效率，他们在Window