静压推力轴承不同偏载距离润滑性能对比

刘广东 邵俊鹏 李天玉 蔺彦龙 胡涌鑫 王启龙

摘 要：以双矩形腔多油垫静压推力轴承为研究对象，探讨高速重载工况条件下偏载距离对承润滑性能影响，并与中心加载时的润滑性能进行对比。运用润滑理论和摩擦学原理推导中心加载与偏载时双矩形腔流量方程、温升方程和油腔压力方程，并进行仿真分析。研究结果表明：当载荷一定时，随着偏移距离的增大，工作台下沉侧油膜厚度逐渐减小，油膜温升和最大压力逐渐增大;工作台上升侧油膜厚度逐渐增大，油膜温升和最大压力逐渐减小。偏载距离进一步增加，静压轴承会出现失压，发生摩擦学失效。

关键词：静压推力轴承;双矩形腔多油垫;偏载距离;润滑性能对比;摩擦学失效

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.005

中图分类号： TH133.3

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2021）03-0032-06

Lubrication Performance Comparison of Hydrostatic Thrust

Bearing with Different Offset Distances

LIU Guang-dong， Shao Jun-peng， Li Tian-yu， Lin Yan-long， Hu Yong-xin， Wang Qi-long

（School of Mechanical Power and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：Taking the hydrostatic thrust bearing having double rectangular cavity multi-oil pad as the research object， the influence of the eccentric load distance on the bearing lubrication performance under high speed and heavy load conditions is discussed and compared with the lubrication performance at the center loading. The flow rate equation， temperature rise equation and oil cavity pressure are deduced and calculated by lubrication theory and tribology principle， and the simulation analysis is carried out. Research result shows that the load is constant， as the offset distance increases， the thickness of the oil film on the downside of the table gradually decreases， and the temperature rising and maximum pressure of the oil film gradually increase; the thickness of the oil film on the upside of the table gradually increases， and the temperature rising and maximum pressure of the oil film gradually decrease. The eccentric load distance is further increased， and the hydrostatic bearing will have a loss of pressure and tribological failure.

Keywords：hydrostatic thrust bearing; double rectangular cavity multi-oil pad; eccentric load distance; lubrication performance comparison; tribological failure

0 引 言

理想工作狀态下工件的质心应当在回转工作台的中心，只施加中心载荷，但在实际加工过程中，受工件的形状，质量分布不均以及装夹限制影响，工件质心可能不在回转工作台中心，因此工作台会在偏载作用下发生倾斜，可能会造成严重后果。因此研究偏载距离对静压推力轴承润滑性能影响很有必要。

张文泽等[1]针对液压缸受到径向偏载力工况，设计了新型非对称静压支承结构，分别对传统四垫静压支承和新型非对称静压支承结构进行流场仿真，对比在不同进口压力、不同活塞杆速度、不同偏心量下的压力云图分布及其摩擦力变化。符马力[2]提出了利用当量油膜厚度去计算液体静压转台倾斜轴系承载特性的当量油膜厚度法。闫圣达[3]运用CFD计算了得到油膜特性与偏心率之间的关系。邵俊鹏等[4]对液压缸静压支承抗偏载特性进行研究，分析静压支承结构的摩擦力、泄漏量、压力场特性、静压支承导向套抗偏载能力，得到了活塞杆运动速度、偏心量、系统进油流量和静压支承结构承载能力、摩擦力、泄漏量之间的关系。訚耀保等[5]采用静压支承密封方式可平衡径向偏载，以火箭推力矢量控制系统用液压缸的偏载力与液压缸自重及其摆动角加速度关系为基础，探讨静压支承流场模型压力特性及温度特性，确定了供油压力、温度、偏心等对静压支承时偏载能力影响，为优化静压支承参数提供理论依据。吴勇等[6]针对大型工程结构加载试验的需求，研制一种高压重型平面静压支承系统，应用定比减压阀和偏载自动补偿阀，在保证承载能力的同时使静压支承油腔压力跟踪外负载变化。提高静压支承的油膜刚度，同时实现静压支承系统的抗偏载能力。林禄生[7]研究了一种基于动网格技术的流固耦合方法计算了动态载荷作用下转子-轴承系统的轴心轨迹。Xu[8]利用FLUENT软件对定流量条件下的重型静压轴承在中心加载时的压力分布和流量分布进行了三维数值模拟。Liu Zhifeng9 研究了静压支承工作台旋转时热变形和主轴倾斜对承载性能的影响，主轴倾斜对润滑性能影响很大，油膜刚度最大能下降50%，其它润滑性能均受很大影响。于晓东和张艳芹等[10-15]对中心加载润滑性能进行了系统全面的研究，所得结论为静压支承偏载性能研究提供了行之有效的方法。

上述研究主要对液压缸受偏载及在中心加载工况下润滑特性进行了研究，得出了很重要的结论，但在偏载性能方面的研究鲜为人知。故以双矩形腔多油垫静压推力轴承为研究对象，推导了其中心加载与偏载时的理论公式，并进行模拟仿真，得出了中心加载与不同偏载距离的润滑性能。

1 双矩形腔静压推力轴承工作原理及结构尺寸

1.1 静压推力轴承工作原理

如图1所示，静压推力轴承通过油泵1向各油腔内供油，回转工作台3被顶起，液压油沿封油边流出，形成具有一定压力的油膜，工作台3和底座2被油膜完全隔开，静压推力轴承处于流体润滑状态[16-18]。

2.2 静压推力轴承结构尺寸

双矩形腔结构尺寸及中心加载时流体流动如图2所示。

2 静压推力轴承中心加载与偏载润滑理论计算

依据平行平板流量公式推导得

qx=h3（L+l）12μt·ΔpB-b（1）

qy=h3（B+b）12μt·ΔpL-l（2）

則总流量为：

Q=qx+qy=h3·Δp6μt（L+lB-b·B+bL-l）（3）

式中：Δp为平板两端压力差;h为平板之间距离;μt为润滑油的运动黏度。

则油垫承载能力可取为：

W0=p0LB（1-l1L）（1-b1B）=p0（L-l1）（B-b1）（4）

承受偏载时旋转工作台位姿及各油腔分布情况如图3所示。

中心加载时油腔压力为p0，油腔1下降到p1，油腔7上升到p7。同上，油腔2、3、11、12的压力下降，而油腔5、6、8、9的压力上升，油腔4和油腔10的压力不变，油腔压力为

p1=p0（1+εM）3（5）

p7=p0（1-εM）3（6）

p2=p12=p0（1+32εM）3（7）

p3=p11=p0（1+12εM）3（8）

p4=p10=p0（9）

p5=p9=p0（1-12εM）3（10）

p6=p8=p0（1-32εM）3（11）

式中：εM=h0/eM;εM为在倾覆力偶矩M作用位移最大处的位移率;eM为变化的位移;h0为初始位移。

3 油膜三维模型建立与网格划分

3.1 油膜三维模型

本研究静压推力轴承共有12个油垫，中心加载时各油垫状况相同，只研究一个油垫的润滑性能。偏载状况时，各油垫参数不同，受限于计算机性能，通过对称的6个油膜来进行分析，如图4和图5所示。

3.2 油膜网格划分

将油膜模型导出为.x.t文件，导入到ANSYS ICEM CFD软件中，单位设置为mm。创建模型的part，设定IN1、IN2、OUT1、OUT2、OUT3、OUT4、INTERFACE1、INTERFACE 2、ROTATE、WALL等定义面。采用自上而下的划分方法来创建拓扑结构划分结构网格，最后生成网格并检查网格质量，如图6和图7所示。

4 中心加载与偏载距离对油垫润滑性能模拟仿真

研究中心加载与不同偏移距离对油垫润滑性能的影响，并油膜温度场和压力场。因静压推力轴承在实际工作时的偏移量很小，故取最大偏移量为200mm进行分析，从偏移0mm开始（即中心加载），以20mm为单位依次增加至200mm，即，加载偏移距离为0、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200mm。受篇幅限制，给出12t工况下对应不同偏移距离的结果。

载荷为12t时不同偏移距离的油膜温度场如图8到图10所示。

由图8至10可知，油膜温度场分布呈不均匀状态。线速度越大两表面摩擦产生的热量越大，故油膜沿半径方向向外的温度逐渐增大。并且油膜越薄，散热性越差，在封油边处油膜温度偏高，油腔处油膜温度偏低，最高温度出现在外侧封油边处。载荷不变时，偏移距离增大时，工作台下倾侧油膜厚度逐渐减小，温升逐渐增大;工作台上倾侧油膜厚度逐渐增大，温升逐渐减小。

载荷为12t时不同偏移距离下油膜压力场如图11到图13所示。

从压力场云图可以看出双矩形腔中径向内侧的油腔的压力低于径向外侧的压力。一方面是因为线速度与产生的动压成正比关系。另一方面是因为双矩形腔外腔进油口在顺流侧，内腔的进油口是在逆流侧，外腔总的压力为顺流侧进口产生的静压力与油垫封油边动压力叠加的结果，双矩形腔外腔压力要高于内腔压力。偏载时工作台下沉侧油膜厚度比中心加载小，故下沉侧油膜最大压力均比中心加载大。工作台上升侧油膜厚度比中心加载大，故上升侧油膜最大压力均比中心加载小。在流量和回转工作台旋转速度不变的情况下，通过控制变量的方法，当载荷在一定时，随着偏移距离增大，工作台下倾侧油膜厚度逐渐减小，最大压力逐渐增大。工作台上倾侧油膜厚度逐渐增大，最大压力逐渐减小。

5 结 论

基于流体动力学、润滑理论、静压技术和摩擦学理论等推导出静压推力轴承中心加载与偏载双矩形腔油腔压力方程、流量方程。发现各个油膜温度场分布都呈不均匀状态，径向向外温度逐渐增大，封油边温度高于油腔内温度，最高温升出现在外侧油腔封油边上。压力场分布亦不均匀，双矩形腔外腔压力要高于内腔压力，顺流侧压力要高于逆流侧压力。当载荷一定时，随着偏移距离的增大，工作台下沉侧油膜厚度逐渐减小，油膜温升和最大压力逐渐增大。工作台上升侧油膜厚度逐渐增大，油膜温升和最大压力逐渐减小。若工况进一步恶劣，静压推力轴承将出现失压现象，导致摩擦学失效发生。

参 考 文 献：

[1] 张文泽，马丽楠，赵晓冬，等.伺服液压缸非对称静压支承结构对比仿真分析[J].机床与液压，2019，47（15）：145.

ZHANG Wenze，MA Linan， ZHAO Xiaodong， et al. Comparative Simulation Analysis of Asymmetric Hydrostatic Support Structure of Servo Hydraulic Cylinder[J].Machine Tool & Hydraulics，2019，47（ 15）：145.

[2] 符马力. 研磨机液体静压转台倾斜轴系承载特性研究[D].湖南大学，2014.

[3] 闫圣达.动静压轴承流固特性分析及试验台搭建[D].华中科技大学，2016.

[4] 邵俊鹏，徐龙飞，孙桂涛.液压缸静压支承抗偏载特性分析[J].中国机械工程，2020，31（18）：2174.

SHAO Junpeng， XU Longfei， SUN Guitao. Analysis of Anti Eccentric Load Characteristics of Hydrostatic Bearing of Hydraulic Cylinder[J]. China Mechanical Engineering，2020，31（18）：2174.

[5] 訚耀保，陶陶，朱康武，陆亮.抗偏载液压缸静压支承特性研究[J].流体传动与控制，2016（6）：12.

YAN Yaobao， TAO Tao， ZHU Kangwu， et al. Characteristics of Hydrostatic Bearing of Anti-radial Load Hydraulic Cylinder[J]. Fluid Power Transmission & Control， 2016（6）：12.

[6] 吴勇，李宏远，田野.高压重型平面静压支承的研制[J].煤矿机械，2014，35（12）：95.

WU Yong， LI Hongyuan， TIAN Ye. Research on High Pressure and Heavy Duty Plane Hydrostatic Support System[J]. Coal mining machinery， 2014，35 （12）： 95.

[7] 林禄生.液体动静压轴承动力特性与油膜稳定性分析[D].湖南大学，2014.

[8] XU Shu. Analytical Investigation on Static Hydrostatic Bearing by Fluent[A].Intelligent Information Technology Application Association. Advances in Electrical Engineering and Electrical Machines（ICEEE 2011 LNEE 134）[C]//Intelligent Information Technology Application Association，2011：8.

[9] LIU Z F， ZHAN C P， CHENG Q， et al.Thermal and Tilt Effects on Bearing Characteristics of Hydrostatic Oil Pad in Rotary Table[J].Journal of Hydrodynamics，2016，28 （4）：585.

[10]于曉东，刘超，左旭，等.静压支承摩擦副变形流热力耦合求解与实验[J].工程力学，2018，35（5）：231.

YU Xiaodong， LIU Chao， ZUO Xu， et al. Fluid-Thermal-Mechanicalcoupled Solution adn Experiment on Deformation of Bearing Friction Pairs in Hydrostatic Bearing [J]. Engineering Mechanics， 2018，35 （5）： 231.

[11]于晓东，袁腾飞，李代阁，等.极端工况双矩形腔静压推力轴承动态特性[J].力学学报，2018，50（4）：899.

YU Xiaodong， YUAN Tengfei， LI Daige， et al. Dynamic Characteristics of Hydrostatic Thrust Bearing With Double Rectangular Cavity Under Extreme Working Condition[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2018，50（4）：899.

[12]于晓东，耿磊，郑小军，等.恒流环形腔多油垫静压推力轴承油膜刚度特性[J].哈尔滨工程大学学报，2017，38（12）：1951.

YU Xiaodong， GENG Lei， ZHENG Xiaojun， et al. Oil Film Stiffness Characteristics of Constant Fluid Hydrostatic Thrust Bearing with Annular Cavity Multi-pads[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017，38（12）：1951.

[13]郭玉鹏，张艳芹，邓力源，等.不同腔形结构静压轴承油膜温升特性对比分析[J].哈尔滨理工大学学报，2018，23（4）：55.

GUO Yupeng， ZHANG Yanqin， DENG Liyuan， et al. Comparative Analysis of Temperature Rising Characteristics of Hydrostatic Bearing Oil Film with Different Cavity Structures[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2018，23（4）：55.

[14]张艳芹，张志全，冯雅楠，等.双矩形腔静压滑动轴承高速时的油膜润滑特性[J].摩擦学学报，2018，38（5）：609.

ZHANG Yanqin， ZHANG Zhiquan， FENG Yanan， et al. Lubrication Characteristics of Double Rectangular Cavity Hydrostatic Bearing at High Speed[J]. Tribology， 2018，38（5）：609.

[15]张艳芹，孔祥滨，郭丽丽，等.基于动网格方法的不同油膜厚度下静压轴承承载特性分析[J].哈尔滨理工大学学报，2017，22（6）：20.

ZHANG Yanqin， KONG Xiangbin， GUO Lili， et al. Analysis on Load-bearing Characteristics under Different Oil Film Thicknesses of Hydrostatic Bearing Based on Dynamic Mesh Method[J]. Journal of Harbin University of ence and Technology， 2017，22（6）：20.

[16]王志，张进生，鞠修勇，等.液体静压轴承在金刚石框架锯上的应用研究[J].金刚石与磨料磨具工程，2009（2）：70.

WANG Zhi，ZHANG Jinsheng，JU Xiuyong，et al.Research on Application of Hydrostatic Journal Bearing for Diamond Frame Sawing[J].Diamond & Abrasives Engineering，2009（2）：70.

[17]王福军. 计算流体动力学分析—FLUENT軟件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.

[18]韩占忠， 王敬， 兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

（编辑：王 萍）