一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法

本发明涉及一种斜阶梯式静压推力轴承动压效应计算方法，尤其涉及一种双梯形腔线性收敛和等高度组合的润滑油膜间隙的斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应的计算方法，属于重型静压轴承。

背景技术：

1、随着科学技术的不断发展，社会的日益多元化将使重型机床业的科技含量越来越高，并且逐渐朝着高转速、重载荷、高刚度、高精度以及强稳定性趋势发展。而重型静压推力轴承作为机床不可或缺的重要部件因具有高刚度和高精度等特点，应用其作为工作支承的场合愈来愈多。由于静压推力轴承结构尺寸大，高速重载工况下油膜剪切发热严重，油流惯性造成甩油量增加，支承能力和精度降低，旋转工作台与油垫间的润滑油膜膜厚变薄，摩擦副之间形成边界润滑甚至出现工作台与油垫的直接摩擦，导致摩擦学失效的现象频繁发生。而整个机床的加工精度和稳定性是由静压支承间隙油膜的润滑性能决定的，因此，探究如何提高静压支承的承载能力、补偿静压损失成为重型静压推力轴承目前亟待解决的问题。基于此，以双梯形腔静压推力轴承为研究对象，对其静压油垫结构进行改进，通过楔形间隙形成动压以弥补静压的损失，依据静压支承技术和流体动压润滑理论计算油膜的动压承载力，进而得到斜阶梯式静压推力轴承动压效应的计算方法，以此来提高静压支承的润滑性能和承载能力，确保液体静压推力轴承在高速重载工况下高精度、高稳定运行。

技术实现思路

1、本发明为解决上述关键问题，针对静压推力轴承双梯形腔油垫的结构进行改进，提出一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，通过对单个双梯形腔油垫进行流体动压润滑机理分析，确定斜阶梯式静压推力轴承动压承载的组成区域，推导并建立斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应的计算方法，此发明的目的是探究流体动压润滑下的斜阶梯式静压推力轴承油膜动压承载力，进一步弥补由于静压损失导致的承载能力不足的问题。

2、一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法通过以下技术方案来实现（以下描述都针对单个双梯形腔油垫）：

3、步骤a：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜动压承载力的组成。

4、通过液体静压支承技术和流体动力学理论对双梯形腔油垫进行动压润滑分析，确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜的动压承载力由区域l1-l3和区域l3-l2组成，如图1所示，具体公式如下：

5、     （1）

6、式中：为斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜的动压承载力；为斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l1-l3的动压承载力；为斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l3-l2的动压承载力。

7、步骤b：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l1-l3的一次动压承载力。

8、针对如图1所示的斜阶梯式静压推力轴承线性收敛和等高度组合的润滑油膜间隙，可以发现在区域l1处油膜厚度，在区域l2处油膜厚度，在区域l3处油膜厚度；

9、斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l1-l3的动压承载力为：

10、    （2）

11、式中：

12、；

13、；

14、；

15、；；；为双梯形腔油垫的长；为双梯形腔油垫的宽；为双梯形腔油垫的油腔深度，在1mm≤t≤3mm范围内；为区域l3处倾斜面沿水平方向的倾斜角度，在范围内；为润滑油的动力粘度；，为旋转工作台的速度；为双梯形腔油垫的中心到静压回转中心的距离；为旋转工作台的角速度。

16、步骤c：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l3-l2的二次动压承载力。

17、斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域l3-l2的动压承载力为：

18、    （3）

19、步骤d：最终得到斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油垫的油膜动压承载力公式如下：

20、本发明所研究的斜阶梯式静压推力轴承属于多油垫导轨结构，12个结构尺寸参数相同的双梯形腔油垫周向均布在工作台底座上，由此每个油垫处油膜的受力和流动情况也相同。因此，斜阶梯式静压推力轴承12个双梯形腔油垫的总动压承载力为：

21、     （4）

22、本发明主要根据斜阶梯式静压推力轴承单个双梯形腔油垫上的动压承载区域l1-l3和区域l3-l2，理论推导出斜阶梯式油垫油膜的动压承载力方程，发现斜阶梯式静压推力轴承油膜的动压承载力主要取决于油垫和工作台的结构尺寸、润滑油粘度、初始油膜厚度、工作台旋转角速度以及区域l3处倾斜面沿水平方向的倾斜角度，与附加载荷大小无关。该发明将二次动压润滑引入斜阶梯式静压推力轴承的油膜承载力计算中，弥补了原有的静压损失，提高了原有轴承计算的承载力值以及原有轴承的运行精度，使理论计算值更贴合实验研究数据，为静压推力轴承润滑性能的研究提供一定的理论基础。该方法经理论和仿真验证可有效提高静压推力轴承总承载力近30%。

技术特征：

1.一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，其特征在于通过静压支承技术和流体动压润滑理论对双梯形腔油垫进行动压润滑分析，确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜动压承载力的计算方法和过程；

2.根据权利要求1所述的一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，其特征在于所述的斜阶梯式静压推力轴承区域l3处倾斜面沿水平方向的倾斜角度在范围内，油垫的油腔深度在1mm≤t≤3mm范围内，斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜的动压承载力由区域l1-l3和区域l3-l2组成。

3.根据权利要求1所述的一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，其特征在于所述的斜阶梯式静压推力轴承线性收敛和等高度组合的润滑油膜间隙，在区域l1处油膜厚度，在区域l2处油膜厚度，在区域l3处油膜厚度。

4.根据权利要求1所述的一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，其特征在于所述的斜阶梯式静压推力轴承属于多油垫导轨结构，相同结构尺寸参数的油垫周向均布在工作台底座上，每个油垫处油膜的受力和流动情况也相同。

技术总结
本发明公开了一种斜阶梯式静压推力轴承二次动压效应计算方法，为解决机床领域静压支承过程中油膜变薄且分布不均匀、机床加工精度和稳定性降低、静压润滑失效的现象，本发明将二次动压效应引入到双梯形腔油垫的油膜动压承载力计算中，推导并建立了斜阶梯式静压推力轴承油膜动压承载力的计算方法。步骤A：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜动压承载力的组成；步骤B：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域L<subgt;1</subgt;‑L<subgt;3</subgt;的一次动压承载力；步骤C：确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油膜区域L<subgt;3</subgt;‑L<subgt;2</subgt;的二次动压承载力；步骤D：最终确定斜阶梯式静压推力轴承双梯形腔油垫的油膜动压承载力。本发明适用于重型静压轴承技术领域。

技术研发人员：于晓东,冯雅楠,代瑞春,贾文涛,高维铖,师广强,杨欣逸
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15