２２０ 机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第９期 ２０１７年９月
液体静压推力轴承设计与ＦＬＵＥＮＴ仿真分析 王禹，王连吉，王续跃 （大连理工大学机械工程学院，辽宁大连ｌ１６０２４）
摘要：轴承的振动检测是轴承生产检测中的重要环节，轴承振动检测仪是轴承振动检测的重要检测仪器。 艮据２０１０年 ４月起实施的新的滚动轴承振动测量方法，针对测量最大外径为２００ｍｍ的深沟球轴承振动检测仪主轴系统轴向承载能 力不足问题，基于经典流体力学公式，对其主轴系统中的关键部件液体静压推力轴承进行了详细设计与计算。所设计的 推力轴承在最大轴向载荷９９０Ｎ作用时，轴向位移为２．６ ｍ。在空载静止满足条件基础上，运用模拟仿真软件ＦＬＵＥＮＴ对 所设计的结构进行仿真分析，得出随主轴转速的提高油膜刚度程线性增加，而流量不随主轴转速的提高而改变。进一步 分析得知，环形油腔推力轴承在主轴旋转时其动压效应主要产生在油腔及内外缘出油间隙处。该液体静压推力轴承，设 计合理可靠，可供同类别产品主轴系统提供设计参考。 关键词：轴承振动检测仪；液体静压推力轴承；经典流体力学；ＦＬＵＥＮＴ仿真模拟；动压效应；油膜刚度 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１３３．３；ＴＨ７０２文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１７）０９—０２２０—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ Ｆｌｕｅｎｔ’ ＷＡＮＧ Ｙｕ．ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ－ｊｉ。ＷＡＮＧ ＸＵ—ｙｕｅ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｒ ｄｅｅｐ ｇｒｏｏｖｅ ｂａｌｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２００ｍｍ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｎｅｗ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｏｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｆｒｏｍ Ａｐｒｉｌ ２０１０．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ｈｙｄｒｏｄｙｎｏｌｎｉｃ３，ｉｔ ｉｓ ａｍｐｌｙ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｇａｉｎｓｔ ｏｉｌ ｆｉｌｍ ｒｉ＃ｄｉｔｙ ｏｆ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｐｉｎｄｌｅ， ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ２．６ ｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆ０ ｉｓ ９９０Ｎ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｂｙ ＦＬＵＥＮＴ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆｓｔａｔｉｃ ｅｏｎｄｉｔｉｏｍ Ｉｔ ｉｓ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｏｉｌ ｌｍ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｏｉｌｆｌｏｗ ｒａｔｅ Ｓｂｏｗｓ ｉｒｒｅｌｅｖａｎｔ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｖａｌｕｅ．Ｆｕａｈｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｔｈｅ ｒｉｎｇ ｏｉｌ ｃｈａｍｂｅｒ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｉｌ ｃａｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｉｌ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｅ＠ｅ．Ｉｎ ｓｕｍｍａｒｙ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｏｔｈｅｒ ｉｎｄｅｘ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｂｅａｒｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ；Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ；Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｈｙｄｒｏｄｙ ｎａｍｉｃｓ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｅｆｆｅｃｔ；Ｏｉｌ Ｆｉｌｍ砌ｇｉｄｉｔｙ
１引言 轴承的振动测量是轴承生产制造中的重要检测过程，是保 证轴承生产质量、提高产品稳定性及实现产品分级的重要手段。 随着我国轴承行业的快速发展，轴承振动检测技术标准也不断提 高，２０１０年４月起实施与国际标准一致的新的滚动轴承测量方 法，与旧测量方法相比，在轴向载荷方面有明显提高。因此，在主 轴系统设计上应该提出一种满足新的测量标准的主轴系统『ｌ１。 液体静压轴承由于其具有旋转精度高、承载能力强、刚度 大、摩擦阻力小、使用寿命长等优点，广泛使用于机床设备与高精
密仪器当中目。液体静压轴承并没有标准化零件供选用，须根据实 际需要自行设计，提高了结构的灵活ｌ生。对于液体静压推力轴承， 其承载能力、油膜刚度和流量受节流孔直径、油膜厚度、润滑油性 质及供油压力等多个参数影响。文献嗵过试验的方法，研究了不 同尺寸的油及和位置对液体静压推力轴承的承载性能的影响。文 献 寸不同油腔形状的静压推力轴承的动静特性进行了理论分析， 并利用有限元方法，对圆形、矩形、椭圆形及环形油腔的静压推力 进行计算，研究了不同油腔形状对轴承性能的影响。文献嗵过对 薄膜反馈节流静压轴承进行理论分析，以系统刚度、温升及功耗 为目标函数，以轴承长径比、半径间隙、节流器初始间隙为控制变
来稿日期：２０１７＿ｏ３－０３ 基金项目：创新研究群体科学基金资助项目（５１３２１００４） 作者简介：王禹，（１９８９一），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，主要研究方向：非标准设备的研究、设计及制造； 王续跃，（１９６０一），男，辽宁大连人，博士研究生，博士研究生导师，教授，主要研究方向：特种加工和精密加工 第９期 王禹等：液体静压推力轴承设计与ＦＬＵＥＮＴ仿真分析 ２２１ 量，得到最大刚度、最小功耗和最低温升，对主轴系统进行了优 化。文献［６１以重型液体静压转台为研究对象，对恒流供油扇形静压 推力轴承承载力计算未考虑离心力因素的问题，推导了计入离心 力因素的恒流供油扇形静压推力轴承承载力解析计算公式 。文 献 研究了供油压力、主轴转速及偏心率对液体径向轴承承载特 性的影响。综上所述，国内外学者主要对不同结构尺寸油腔与轴 承的承载特性、低速重载多油腔推力轴承的承载特性及供油压 力、主轴转速对承载特性的影响做了大量研究，而对环形油腔的 推力轴承相关研究较少。 文本针对新国标下，测量最大外径为２００ｒａｍ的深沟球轴承 振动检测仪主轴系统轴向承载能力不足问题，设计了满足其要求 的主轴系统，对主轴中的关键部件液体静压止推轴承进行了详细 设计，并运用仿真软件ＦＬＵＥＮＴ对所设计的液体静压推力轴承 进行仿真分析。 ２主轴结构
设计的主轴在轴向上需承受最大载荷为９９０Ｎ的轴向载荷， 在径向上需承受速度传感器拾振杆与轴承外圈的接触力以及皮 带轮的张紧力即可。轴承振动测量过程中，为了保证测试结果的 准确与稳定性，一般要求心轴与驱动主轴组合后，心轴与轴承内 圈配合处的径向跳动不大于５１ｘｍ，心轴轴肩端面圆跳动不大于 １０１ｘｍｒ￣。液体静压轴承需要一套额外的供油系统，增加了设备的 复杂性和体积提高了使用成本，而液体动压轴承只需提供持续不 断的润滑油即可。测振仪在检测过程中，主轴在轴向上承受较大 的力而在径向上只需承受较小的力，且保持恒定平稳的转速。因 此，在轴向上采用液体静压推力轴承作为支撑，而在径向上采用 液体动压轴承的支撑方式，既保证了测量精度又减小了设备尺寸 以及使用成本。主轴系统结构，如图１所示。
图１主轴系统结构 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ 主轴系统主要包括ｌ、上端盖２、上油腔进油口３、上止推轴
承４、下油腔进油口５、下推力轴承及动压轴承６、推力轴承出油 口７、上动压轴承进油口８、轴承瓦座９、动压轴承出油口１０、下动 压轴承进油口ｌ １、下动压轴承出油口１２、甩油环１３、下端盖。其 中推力轴承起到主要承载作用，其承载能及油膜刚度对主轴系统 性能影响很大。 ３液体静压推力轴承结构设计
３．１结构形式的选择 （１）轴承振动测量仪在工作过程中主轴在轴向上需要承受 的最大静载荷为９９０Ｎ，轴向端面圆跳动量不大于１０１￣ｍ，不存在 或极小存在倾覆力矩。因此，选择双向供油环形油腔的形式，可以 承受较大的轴向载荷且油膜刚度较好，如图２所示。
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图２推力轴承结构形式 Ｈｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ （２）液体静压轴承主要分为恒压供油和恒流供油两种形式。 恒流供油方式需要每个进油腔供给流量不变的压力油，即需要多 套供油系统，造成供油系统庞大，结构复杂，使用成本高。而恒压 供油需要每个进油腔提供压力相等的润滑油，在油泵功率足够的 情况下由一个套供油系统便可完成供油，其结构简单，调节方便， 成本低。因此，该主轴系统选择恒压的供油方式。 节流器分为固定节流器和可变节流器。可变节流器可随着 外部载荷的变化自行改变液阻大小，理论上可实现油膜刚度无限 大，但结构形式复杂，加工困难，使用成本高。固定节流器随着外 部载荷的变化液阻不发生变化，通过上下油腔的压力差来平衡外 部载荷，按期结构形式分为毛细管节流器与小孔节流器。与毛细 管节流器相ＬＬ４￣Ｌ节流器结构形式简单，加工方便，占用空间小， 适合用于载荷变化不大的中小型液压轴承 。因此，该主轴系统选 择小孔节流器作为其节流形式。 ３．２轴承结构设计 根据轴承振动检测仪的结构特点与主轴载荷大小，基于经 验设计，对液体静压推力轴承的结构尺寸进行具体设计。其结构 参数，如表１所示。 表１推力轴承主要结构参数 Ｔａｂ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ