自补偿液体静压精密转台轴承设计与实验-国防科技大学学报

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1、第３５卷第３期国防科技大学学报Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．３２０１３年６月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＴＩＯＮＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｎ．２０１３自补偿液体静压精密转台轴承设计与实验佐晓波，尹自强，王建敏，李圣怡，刘晓东（国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南长沙４１００７３）摘要：设计了一种用于精密转台的新型自补偿圆锥形液体静压轴承，并完成了轴承的制造与性能测试。采用流量平衡原理推导了轴承设计公式，得到了轴向和径向的最优刚度及其优化条件，计入制造误差对轴承承载性能进行了仿真，并测试了轴承的刚度和回转精度。结果表明：轴承刚度受到节流间隙与承载间

2、隙的流阻比以及油腔间内流系数影响，流阻比存在最优值，而内流系数越小，对刚度越有利；计入制造误差的仿真模型能够有效预测轴承刚度范围。关键词：精密转台；静压轴承；自补偿；刚度中图分类号：ＴＨ１３３．３文献标志码：Ａ文章编号：１００１－２４８６（２０１３）０３－０００１－０６ＤｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｅｌｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｏｔａｒｙｂｅａｒｉｎｇＺＵＯＸｉａｏｂｏ，ＹＩＮＺｉｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＪｉａｎｍｉｎ，ＬＩＳｈｅｎｇｙｉ，ＬＩＵＸｉａｏｄｏｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒ

3、ｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｅｌｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｃｏｎｉｃａｌｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｏｔａｒｙｔａｂｌｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌａｓｗｅｒｅｄｅｒｉｖｅｄｂａｓｅｄｏｎｆｌｏｗｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ，ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｏｔｈｆｒｏｍｔｈｅａ

4、ｘｉａｌａｎｄｔｈｅｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｅｒｒｏｒｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｗａｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｔｅｓｔｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓｉｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒａｔｉｏｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇｇａｐ，ｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｇａｐａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｆｌｏｗｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｐｏｃｋ

5、ｅｔｓ；ｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒａｔｉｏｈａｓａｎｏｐｔｉｍａｌｖａｌｕｅ，ａｎｄａｌｉｔｔｌｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｆｌｏｗｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｆａｖｏｒａｂｌｅｔｏｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｔｈｅｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｅｒｒｏｒｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｏｔａｒｙｔａｂｌｅ；ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ；ｓｅｌｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ精密数控转台是现代精密机床的关键基础

6、部提高轴承的刚度。后来发展的薄膜、滑阀等可变件，是进一步改善机床性能、提高加工水平的重要节流器可以实现更高的刚度，然而制造成本高且［５－６］影响因素。国家“高档数控机床与基础制造装存在稳定性问题。内部节流轴承较固定节流备”科技重大专项将精密转台的研制作为重要的轴承刚度高，且轴承结构简单，不易堵塞，节流比攻关任务，并成为多个精密机床研制课题的基本不受轴承间隙影响，因其自身结构能够补偿载荷组成部分。液体静压转台具有承载力大、刚度高、变动产生的油膜压力变化，此种轴承也称为自补阻尼特性好和使用寿命长等优点，是精密转台的偿轴承；但是传统的自补偿轴承较长、摩擦功耗［７－９］［１０］主

7、要发展方向之一。目前国外已有多家企业可以高，不适于转台使用。Ｋａｎｅ等将节流间生产精度在亚微米级以上的超精密液体静压转隙与承载间隙设计成呈角度相交的两段，提出一［１］台，而国内相关研究和产品研发水平仍有一定种适用于转台的自补偿静压轴承，但是节流段的［２］的差距。液体静压轴承是静压转台的核心部环形区域内存在流体的扩散效应，且油腔入口容件，其刚度、精度决定了转台的性能。静压轴承的易因磨损而联通，影响轴承的整体性能。本文将基本原理是使用节流器调节油腔中的润滑流体压传统的自补偿与Ｋａｎｅ型节流相结合，设计了一种力以产生平衡外载的油膜力