一种机床主轴利用滑动轴承自动定心的方法及其装置与流程

本发明属于机床主轴领域，特别涉及一种机床主轴利用滑动轴承自动定心的方法及其装置。

背景技术

由于启动和运转期间摩擦副均被压力油膜隔开，滑动阻力仅来自流体粘性，摩擦因数小、工作寿命长，在任何轴的转速下具有极高的旋转精度和高的承载能力等诸多优点，液体静压轴承已成功地用于重型、精密、高效率的机器和设备上。随着机器向高效、精密的方向发展，静压轴承技术也面临挑战。尽管静压轴承的制造已不困难，但轴承和主轴的制造工艺还有很大的改进空间。其基本要求是如何保证和提高前、后径向轴承的同心度和推力轴承与径向轴承内孔的垂直度。在高速、重载工作下的静压主轴，要综合考虑动压效应、热效应、挤压膜效应、油可压缩性效应，以及轴与轴承弹性变形的影响。这些挑战都需要搞清楚静压轴承的工作原理，找出其规律之后才能更好解决问题。

本发明中提出了自动定心的方法，利用这一规律建立了机床主轴利用滑动轴承自动定心的模型。虽然现在书籍上有记载主轴自动定心的规律，但没有完整地提出，而且限于文字表达，只对各个部分解答，没有将各个部分联系在一起系统地表达叙述。

技术实现要素：

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种机床主轴利用滑动轴承自动定心的方法，通过测量计算出油腔的油压值、计算出压力差、主轴受力，进而得出自动定心方法的方程，提高滑动轴承的工艺。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种机床主轴利用滑动轴承自动定心的方法，方法内容为：步骤一、测量油腔受到的压力，计算下油腔1、上油腔2之间的压力差；步骤二、小孔节流器通过油腔形成的压力差转化的位移和主轴的位移比较；步骤三、检测主轴受到的外载荷值；步骤四、外载荷与油腔形成的压力差进行比较；步骤五、得出自动定心方程。

上述方法中，上述步骤一中，通过小孔节流器的流量公式和油垫流量公式建立流量方程，得到油腔油压，然后对方程进行优化处理，计算出下油腔1、上油腔2之间的压力差。步骤一中，通过小孔节流器的流量方程：和计算压力差；式中，q1和q2分别表示下油腔1、上油腔2的流量，cd：流量系数；β：节流比；ps：背油压；h：轴承封油面的间隙；μ：动力粘度；ae：节流器的面积；p1：下油腔1的油压；p2：上油腔2的油压，e(t):主轴运动的位移，t：时间，ρ：油液的密度。

上述方法中，步骤五中，自动定心方程为：

式中：a：主轴有效的横截面积；β：节流比；ae：节流器的面积；f外为主轴受到的外载荷；ρ：油液的密度；ps：背油压；μ：动力粘度；mt：总质量，e(s)；拉氏变换后的主轴位移，得到主轴位移e(s)。

一种机床主轴利用滑动轴承自动定心控制装置包括：主轴，承受外载荷；供油装置，用来向轴承输送稳定的油量，连通小孔节流器；小孔节流器，调节油腔压力大小，设有第一小孔节流器和第二小孔节流器两个，分别连通静压轴承；静压轴承，将主轴固定，且制造一个空间容纳液压油。

本发明有益效果是:本发明与现有技术相比较，提出了机床主轴利用滑动轴承自动定心的方法，利用这一方法建立了机床主轴利用滑动轴承自动定心模型，对其完整结构进行了较为完整的描述，对与其结构了解有较为完善认知，对于现有问题和未来挑战有益帮助。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式的自动定心控制框图。

其中，1-下油腔，2-上油腔，3-左油腔，4-右油腔，5-主轴，6-静压轴承，7-第一小孔节流器，8-第二小孔节流器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一种机床主轴利用滑动轴承自动定心控制装置，包括主轴5、供油装置、小孔节流器和静压轴承6，主轴5主要用来承受外载荷，供油装置用来向轴承输送稳定的油量，连通小孔节流器。小孔节流器用来调节油腔压力大小，节流器设有两个，第一小孔节流器7和第二小孔节流器8，分别连通静压轴承6，且第一小孔节流器7与下油腔1、上油腔2相连并调节下油腔1、上油腔2的油压，第二小孔节流器8与左油腔3、右油腔4相连并调节左油腔3、右油腔4的油压；静压轴承6用来将主轴5固定，且制造一个空间容纳液压油。主轴、静压轴承、节流器、供油装置等构成的系统，液体静压轴承系统是依靠外部供油系统供给压力油，通过节流器进入轴承的油腔中，形成具有足够压力的油将轴颈支起。空载时由于各油腔对称等面积分布，各个节流器的节流阻力相同，使轴浮起在轴承的中心位置。当受到正对油腔外载荷时，轴中心偏向某个进油口，使该油口的油流阻力增大，油腔压力升高，与之相对的油口减小，这样便形成了压力差同外载荷平衡。如果载荷不是正对油腔的载荷，可将载荷分解为垂直方向和水平方向的载荷，再由压力差平衡。机床主轴利用滑动轴承自动定心控制装置采用了自动定心方法，方法内容为：

步骤一、测量油腔受到的压力，为了方便计算选择的是相对的油腔的压力，计算下油腔1、上油腔2之间的压力差。通过小孔节流器的流量公式和油垫流量公式建立流量方程，得到小孔节流器油压，然后对方程进行优化处理，计算出下油腔1、上油腔2之间的压力差。压力差作为输入量，可以避免主轴位移作为输入量或者其他量作为输入量的不方便控制。具体内容为：

a.建立下油腔1、上油腔2的流量方程，通过小孔节流器的流量公式和油垫流量公式用来计算节流器的流量，小孔节流器的流量公式与油垫流量公式都是液体静压轴承计算的基本公式，且这两个公式中包含对主轴与静压轴承之间间隙的描述：

式(1)和(2)中，q1和q2分别表示下油腔1、上油腔2的流量，cd：流量系数；β：节流比；ps：背油压；h：轴承封油面的间隙；μ：动力粘度；ae：节流器的面积；p1：下油腔1的油压；p2：上油腔2的油压，e(t):主轴运动的位移，t：时间，ρ：油液的密度。

b.求得节流器压力差：

p1＝ps-[ρβ²ps²(h+e(t))⁶]/(2μ²ae²)

p2＝ps-[ρβ²ps²(h-e(t))⁶]/(2μ²ae²)

上式中计算得出的pl表示下油腔1、上油腔2之间受到的压力差。对式(3)进行泰勒展开，降低次数，在c处展开，设c为已知常数，得：

pl＝ρβ²ps[(12h⁵+120h³c²+60hc⁴)e(t)-80h³c³-48hc⁵]/(2μ²ae²)(4)

因为h和c都是常数且已知，为方便计算，令c1＝12h⁵+120h³c³+60hc⁴，c2＝-80h³c³-48hc⁵，设置c1、c2，因为对(4)进行拉氏变换

pl＝ρβ²ps[c1e(s)+c2]/(2μ²ae²)(5)

步骤二、小孔节流器通过油腔形成的压力差转化的位移和主轴的位移比较，压力差转化的位移与主轴的位移比较可以清楚地知道主轴是否到达定心位置，该系统通过位移差来确定位置。

步骤三、检测主轴受到的外载荷值；

步骤四、检测到的主轴受力的外载荷与油腔形成的压力差进行比较，当主轴受到外载荷，油液起到缓冲作用，而油腔形成的压力差既是保护主轴，也是保护静压轴承。

建立主轴的受力方程：

式(6)中，为主轴的受力；e(t)为主轴运动的位移(位移的一阶导数是速度，二阶导数是加速度)；pla为液体对主轴的作用总力，a为主轴有效的横截面积；pl为压力差；b为阻尼系数；k为液体的弹性模量；f外为主轴受到的外载荷。通过综合考虑液体对主轴的作用力、下油腔1、上油腔2之间的压力差、主轴受到的外载荷等多种主轴受到的力，较精准的计算出主轴的受力。

步骤五、得出自动定心方程，得到主轴位移e(s)。

对公式(6)进行拉普拉斯变换，并改写公式

mt：总质量，e(s)；拉氏变换后的主轴位移。(s是拉氏变换后的参数)，联立公式(3)与公式(7)得公式(8)。

式(8)就是机床主轴利用滑动轴承自动定心的规律。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。