高速电主轴空气静压止推轴承参数特性研究*

□ 毛文亮 □ 黎 振

1.甘肃机电职业技术学院 甘肃天水 741001 2.天津职业技术师范大学 机械工程学院 天津 300222

1 研究背景

随着数控机床向高速度、高精度化不断发展,高速空气静压电主轴在高档数控机床中得到了广泛的应用。空气静压止推轴承作为高速电主轴两端止推支承元件,其结构特性会直接影响高速电主轴的回转精度、稳定性,因此,对高速电主轴空气静压止推轴承的结构参数特性进行研究,可以提高空气静压电主轴的综合性能。

2 国内外研究现状

在国内,郭凯等[1]对高速空气静压止推轴承气膜的动静态性能进行了研究,张皓成等[2]对小孔节流空气静压止推轴承的振动问题进行了研究,卢泽生等[3]对空气在多孔质止推轴承内部的非线性流动进行了研究,刘晨帆等[4]对气膜间隙的压力分布进行了研究,郭良斌等[5]对轴承气膜静刚度、动刚度和气膜位移-动态力频响函数之间的关系进行了研究,何学明等[6]对无腔静压气体轴承竖直方向的动力学特性进行了分析研究。

在国外,Fourka等[7]研究了节流孔数量和位置等因素对空气静压止推轴承承载能力与刚度的影响,Eleshaky[8]建立了空气静压止推轴承的计算流体动力学三维仿真模型,Yoshimoto等[9]对空气静压止推轴承节流孔附近的压力分布进行了研究,Talukder 等[10]对空气静压止推轴承气锤现象进行了研究,Holster等[11]对空气静压止推轴承在动态载荷下的特性进行了有限元分析。

3 气体润滑雷诺方程求解

假设高速电主轴空气静压止推轴承气体流场等温,气膜内气体黏度恒定,气体压力沿气膜厚度方向不变,将稳态无因次可压缩气体雷诺方程的计算域划分为t个三角形有限单元和n个节点,则有限元法求解的气体润滑雷诺方程可表示为[12]:

(1)

(2)

(3)

对式(1)进行数值迭代求解,可以得到不同结构参数下高速电主轴空气静压止推轴承流场节点的压力分布。

4 分析程序

高速电主轴空气静压止推轴承的气膜结构和压力场是轴对称分布的,在确定气膜流场计算域时,取轴承气膜结构的1/12作为计算域,然后将扇形计算域转换为矩形计算域。采用直角三角形进行网格划分,沿圆周方向20等分,内半径和节流孔分布圆半径之间10等分,外半径和节流孔分布圆半径之间20等分。确定好609个待求压力节点后,求解有限元气体润滑雷诺方程组矩阵,在MATLAB软件中编写性能分析程序,输入空气静压止推轴承的结构参数,可以得到空气静压止推轴承的气膜承载能力和压力分布情况。改变结构参数,可以得到结构参数对空气静压止推轴承特性的影响。

5 特性影响研究

高速电主轴空气静压止推轴承外径为38 mm,内径为23 mm,节流孔分布圆直径为30 mm,开有均压槽,宽为0.4 mm,深为8 μm。改变空气静压止推轴承供气压力、气膜厚度、节流孔直径、节流孔数量等结构参数,分析结构参数对空气静压止推轴承特性的影响。由于空气静压止推轴承两端止推支承高速空气静压电主轴,因此在研究空气静压止推轴承的动压效应时,不考虑电主轴转速对空气静压止推轴承性能的影响。

5.1 供气压力

设空气静压止推轴承每排有六个节流孔,孔径为0.15 mm,初始气膜厚度为20 μm,分别在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa供气压力下分析供气压力对空气静压止推轴承特性的影响。空气静压止推轴承在不同供气压力下承载能力变化曲线如图1所示,在不同供气压力下气膜刚度变化曲线如图2所示。

▲图1 不同供气压力下承载能力变化曲线

▲图2 不同供气压力下气膜刚度变化曲线

由图1可知,空气静压止推轴承的承载能力随着气膜厚度的增大而降低,同一气膜厚度下,空气静压止推轴承的承载能力随着供气压力的增大而提高。

由图2可知,空气静压止推轴承的气膜刚度随着气膜厚度的增大先增大后减小,同一气膜厚度下,气膜刚度随着供气压力的增大而增大。可见,增大供气压力,有利于提高空气静压止推轴承的性能。

5.2 气膜厚度

设空气静压止推轴承每排有六个节流孔,孔径为0.15 mm,供气压力为0.6 MPa,分别在10 μm、15 μm、20 μm、25 μm气膜厚度下分析气膜厚度对空气静压止推轴承特性的影响。空气静压止推轴承在不同气膜厚度下气膜压力变化云图如图3所示。

▲图3 不同气膜厚度下气膜压力变化云图

由图3可知,同一气膜厚度下,空气静压止推轴承节流孔处气膜压力最大,且向四周递减。随着气膜厚度的增大,空气静压止推轴承的气膜压力逐渐减小。可见,增大气膜厚度不利于提高空气静压止推轴承的性能。

5.3 节流孔直径

设空气静压止推轴承每排有六个节流孔,初始气膜厚度为20 μm,供气压力为0.6 MPa,分别在0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm节流孔直径下分析节流孔直径对空气静压止推轴承特性的影响。空气静压止推轴承在不同节流孔直径下承载能力变化曲线如图4所示,在不同节流孔直径下气膜刚度变化曲线如图5所示。

▲图4 不同节流孔直径下承载能力变化曲线

▲图5 不同节流孔直径下气膜刚度变化曲线

由图4可知,空气静压止推轴承的承载能力随着气膜厚度的增大而降低,同一气膜厚度下,空气静压止推轴承的承载能力随着节流孔直径的增大而提高。

由图5可知,空气静压止推轴承的气膜刚度随着气膜厚度的增大先增大后减小。当气膜厚度小于12 μm时,气膜刚度随着节流孔直径的增大而减小。当气膜厚度大于17.5 μm时,气膜刚度随着节流孔直径的增大而增大。

5.4 节流孔数量

空气静压止推轴承节流孔直径为0.15 mm,初始气膜厚度为20 μm,供气压力为0.6 MPa,分别在6、8、10、12节流孔数量下分析节流孔数量对空气静压止推轴承特性的影响。空气静压止推轴承在不同节流孔数量下气膜压力变化云图如图6所示。

▲图6 不同节流孔数量下气膜压力变化云图

由图6可知,在同一工况下,空气静压止推轴承气膜压力随着节流孔数量的增大而增大,节流孔越多,空气静压止推轴承的气膜压力就越大。

空气静压止推轴承在不同节流孔数量下承载能力变化曲线如图7所示,在不同节流孔数量下气膜刚度变化曲线如图8所示。

▲图7 不同节流孔数量下承载能力变化曲线

▲图8 不同节流孔数量下气膜刚度变化曲线

由图7、图8可知,同一气膜厚度下,随着节流孔数量的增大,空气静压止推轴承的承载能力提高,气膜刚度增大。可见,增大节流孔数量,有利于提高空气静压止推轴承的性能。

6 试验验证

为了验证有限元法对空气静压止推轴承参数特性分析的有效性,笔者在0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa、0.7 MPa供气压力下,对外径为38 mm、内径为23 mm、节流孔分布圆直径为30 mm、均压槽宽为0.4 mm、均压槽深为8 μm、每排节流孔数量为6、直径为0.15 mm、气膜厚度为20 μm的电主轴空气静压止推轴承特性进行了试验验证,如图9所示。

▲图9 电主轴空气静压止推轴承参数特性试验

采集不同供气压力下空气静压止推轴承承载能力、气膜刚度的试验数据,与仿真数据进行对比。结果显示,空气静压止推轴承承载能力平均误差不大于13%,气膜刚度平均误差不大于15%。因此,基于有限元法求解气体润滑雷诺方程,结合MATLAB软件开发分析程序,对高速电主轴空气静压止推轴承参数特性进行分析是可行的。在试验中同时发现,当供气压力大于0.7 MPa时,空气静压止推轴承会产生气锤振动,进而导致失稳。因此,空气静压止推轴承的供气压力不易选择过大。

7 结束语

笔者通过研究确认,高速电主轴空气静压止推轴承节流孔处气膜压力最大。在同一工况下,增大供气压力、节流孔数量、节流孔直径,有利于提高空气静压止推轴承的性能。对于内径小于23 mm的空气静压止推轴承而言,当供气压力大于0.7 MPa时,会产生气锤振动,进而导致失稳。增大气膜厚度,会使空气静压止推轴承气膜压力减小,承载能力逐渐降低，气膜刚度则先增大后减小,这将不利于提高空气静压止推轴承的性能。