高速電主軸空氣靜壓止推軸承參數特性研究*

□ 毛文亮 □ 黎 振

1.甘肅機電職業技術學院 甘肅天水 741001 2.天津職業技術師范大學 機械工程學院 天津 300222

1 研究背景

隨著數控機床向高速度、高精度化不斷發展,高速空氣靜壓電主軸在高檔數控機床中得到了廣泛的應用。空氣靜壓止推軸承作為高速電主軸兩端止推支承元件,其結構特性會直接影響高速電主軸的回轉精度、穩定性,因此,對高速電主軸空氣靜壓止推軸承的結構參數特性進行研究,可以提高空氣靜壓電主軸的綜合性能。

2 國內外研究現狀

在國內,郭凱等[1]對高速空氣靜壓止推軸承氣膜的動靜態性能進行了研究,張皓成等[2]對小孔節流空氣靜壓止推軸承的振動問題進行了研究,盧澤生等[3]對空氣在多孔質止推軸承內部的非線性流動進行了研究,劉晨帆等[4]對氣膜間隙的壓力分布進行了研究,郭良斌等[5]對軸承氣膜靜剛度、動剛度和氣膜位移-動態力頻響函數之間的關系進行了研究,何學明等[6]對無腔靜壓氣體軸承豎直方向的動力學特性進行了分析研究。

在國外,Fourka等[7]研究了節流孔數量和位置等因素對空氣靜壓止推軸承承載能力與剛度的影響,Eleshaky[8]建立了空氣靜壓止推軸承的計算流體動力學三維仿真模型,Yoshimoto等[9]對空氣靜壓止推軸承節流孔附近的壓力分布進行了研究,Talukder 等[10]對空氣靜壓止推軸承氣錘現象進行了研究,Holster等[11]對空氣靜壓止推軸承在動態載荷下的特性進行了有限元分析。

3 氣體潤滑雷諾方程求解

假設高速電主軸空氣靜壓止推軸承氣體流場等溫,氣膜內氣體黏度恒定,氣體壓力沿氣膜厚度方向不變,將穩態無因次可壓縮氣體雷諾方程的計算域劃分為t個三角形有限單元和n個節點,則有限元法求解的氣體潤滑雷諾方程可表示為[12]:

(1)

(2)

(3)

對式(1)進行數值迭代求解,可以得到不同結構參數下高速電主軸空氣靜壓止推軸承流場節點的壓力分布。

4 分析程序

高速電主軸空氣靜壓止推軸承的氣膜結構和壓力場是軸對稱分布的,在確定氣膜流場計算域時,取軸承氣膜結構的1/12作為計算域,然后將扇形計算域轉換為矩形計算域。采用直角三角形進行網格劃分,沿圓周方向20等分,內半徑和節流孔分布圓半徑之間10等分,外半徑和節流孔分布圓半徑之間20等分。確定好609個待求壓力節點后,求解有限元氣體潤滑雷諾方程組矩陣,在MATLAB軟件中編寫性能分析程序,輸入空氣靜壓止推軸承的結構參數,可以得到空氣靜壓止推軸承的氣膜承載能力和壓力分布情況。改變結構參數,可以得到結構參數對空氣靜壓止推軸承特性的影響。

5 特性影響研究

高速電主軸空氣靜壓止推軸承外徑為38 mm,內徑為23 mm,節流孔分布圓直徑為30 mm,開有均壓槽,寬為0.4 mm,深為8 μm。改變空氣靜壓止推軸承供氣壓力、氣膜厚度、節流孔直徑、節流孔數量等結構參數,分析結構參數對空氣靜壓止推軸承特性的影響。由于空氣靜壓止推軸承兩端止推支承高速空氣靜壓電主軸,因此在研究空氣靜壓止推軸承的動壓效應時,不考慮電主軸轉速對空氣靜壓止推軸承性能的影響。

5.1 供氣壓力

設空氣靜壓止推軸承每排有六個節流孔,孔徑為0.15 mm,初始氣膜厚度為20 μm,分別在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa供氣壓力下分析供氣壓力對空氣靜壓止推軸承特性的影響。空氣靜壓止推軸承在不同供氣壓力下承載能力變化曲線如圖1所示,在不同供氣壓力下氣膜剛度變化曲線如圖2所示。

▲圖1 不同供氣壓力下承載能力變化曲線

▲圖2 不同供氣壓力下氣膜剛度變化曲線

由圖1可知,空氣靜壓止推軸承的承載能力隨著氣膜厚度的增大而降低,同一氣膜厚度下,空氣靜壓止推軸承的承載能力隨著供氣壓力的增大而提高。

由圖2可知,空氣靜壓止推軸承的氣膜剛度隨著氣膜厚度的增大先增大后減小,同一氣膜厚度下,氣膜剛度隨著供氣壓力的增大而增大。可見,增大供氣壓力,有利于提高空氣靜壓止推軸承的性能。

5.2 氣膜厚度

設空氣靜壓止推軸承每排有六個節流孔,孔徑為0.15 mm,供氣壓力為0.6 MPa,分別在10 μm、15 μm、20 μm、25 μm氣膜厚度下分析氣膜厚度對空氣靜壓止推軸承特性的影響。空氣靜壓止推軸承在不同氣膜厚度下氣膜壓力變化云圖如圖3所示。

▲圖3 不同氣膜厚度下氣膜壓力變化云圖

由圖3可知,同一氣膜厚度下,空氣靜壓止推軸承節流孔處氣膜壓力最大,且向四周遞減。隨著氣膜厚度的增大,空氣靜壓止推軸承的氣膜壓力逐漸減小。可見,增大氣膜厚度不利于提高空氣靜壓止推軸承的性能。

5.3 節流孔直徑

設空氣靜壓止推軸承每排有六個節流孔,初始氣膜厚度為20 μm,供氣壓力為0.6 MPa,分別在0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm節流孔直徑下分析節流孔直徑對空氣靜壓止推軸承特性的影響。空氣靜壓止推軸承在不同節流孔直徑下承載能力變化曲線如圖4所示,在不同節流孔直徑下氣膜剛度變化曲線如圖5所示。

▲圖4 不同節流孔直徑下承載能力變化曲線

▲圖5 不同節流孔直徑下氣膜剛度變化曲線

由圖4可知,空氣靜壓止推軸承的承載能力隨著氣膜厚度的增大而降低,同一氣膜厚度下,空氣靜壓止推軸承的承載能力隨著節流孔直徑的增大而提高。

由圖5可知,空氣靜壓止推軸承的氣膜剛度隨著氣膜厚度的增大先增大后減小。當氣膜厚度小于12 μm時,氣膜剛度隨著節流孔直徑的增大而減小。當氣膜厚度大于17.5 μm時,氣膜剛度隨著節流孔直徑的增大而增大。

5.4 節流孔數量

空氣靜壓止推軸承節流孔直徑為0.15 mm,初始氣膜厚度為20 μm,供氣壓力為0.6 MPa,分別在6、8、10、12節流孔數量下分析節流孔數量對空氣靜壓止推軸承特性的影響。空氣靜壓止推軸承在不同節流孔數量下氣膜壓力變化云圖如圖6所示。

▲圖6 不同節流孔數量下氣膜壓力變化云圖

由圖6可知,在同一工況下,空氣靜壓止推軸承氣膜壓力隨著節流孔數量的增大而增大,節流孔越多,空氣靜壓止推軸承的氣膜壓力就越大。

空氣靜壓止推軸承在不同節流孔數量下承載能力變化曲線如圖7所示,在不同節流孔數量下氣膜剛度變化曲線如圖8所示。

▲圖7 不同節流孔數量下承載能力變化曲線

▲圖8 不同節流孔數量下氣膜剛度變化曲線

由圖7、圖8可知,同一氣膜厚度下,隨著節流孔數量的增大,空氣靜壓止推軸承的承載能力提高,氣膜剛度增大。可見,增大節流孔數量,有利于提高空氣靜壓止推軸承的性能。

6 試驗驗證

為了驗證有限元法對空氣靜壓止推軸承參數特性分析的有效性,筆者在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa供氣壓力下,對外徑為38 mm、內徑為23 mm、節流孔分布圓直徑為30 mm、均壓槽寬為0.4 mm、均壓槽深為8 μm、每排節流孔數量為6、直徑為0.15 mm、氣膜厚度為20 μm的電主軸空氣靜壓止推軸承特性進行了試驗驗證,如圖9所示。

▲圖9 電主軸空氣靜壓止推軸承參數特性試驗

采集不同供氣壓力下空氣靜壓止推軸承承載能力、氣膜剛度的試驗數據,與仿真數據進行對比。結果顯示,空氣靜壓止推軸承承載能力平均誤差不大于13%,氣膜剛度平均誤差不大于15%。因此,基于有限元法求解氣體潤滑雷諾方程,結合MATLAB軟件開發分析程序,對高速電主軸空氣靜壓止推軸承參數特性進行分析是可行的。在試驗中同時發現,當供氣壓力大于0.7 MPa時,空氣靜壓止推軸承會產生氣錘振動,進而導致失穩。因此,空氣靜壓止推軸承的供氣壓力不易選擇過大。

7 結束語

筆者通過研究確認,高速電主軸空氣靜壓止推軸承節流孔處氣膜壓力最大。在同一工況下,增大供氣壓力、節流孔數量、節流孔直徑,有利于提高空氣靜壓止推軸承的性能。對于內徑小于23 mm的空氣靜壓止推軸承而言,當供氣壓力大于0.7 MPa時,會產生氣錘振動,進而導致失穩。增大氣膜厚度,會使空氣靜壓止推軸承氣膜壓力減小,承載能力逐漸降低，氣膜剛度則先增大后減小,這將不利于提高空氣靜壓止推軸承的性能。