7章流体静压润滑

§7-3 气体润滑轴承
以空气作为轴承的润滑剂有很大的优点，早 在1854年Him就已提出这种想法，但直到1897年 Kinsburg才证实了这一建议是可行的。目前，气 体轴承在工业中用得很多，已经有效地用于机床 主轴、测量仪器、透平机械、陀螺仪、牙钻等领 域。由于气体无污染，能用于任何温度，在某些 特殊领域中，气体轴承已成为惟一可应用的轴承。
Q ps h 3 η不变时，显然，当W∝ps时，Q ∝ Wh3。因此， 如果流量不变，则
1 W 3 h
所以，回复载荷随油膜厚度减小量的立方而增大。
3、补偿器的作用 如果补偿器C4为定压供油系统， 3 则当h4减小时，从凹槽中流出的流量随 h4 而减 小。如果流量减小，则节流器的压力降 pm ps 也减小。因为岐管压力pm为定值，凹槽压力ps4将 随h4的减小导致流量的减小而增大，即对轴形成 一个推力。 当h4减小时，与它相对的h2必然增大。又由于 节流器C2的作用，ps2相应减小，对轴形成一个拉 力，因此，轴同时受推和受拉而回到原位。
定 压 供 油 系 统
2、定量供油系统
系统的各油腔流量恒定，随油膜厚度变 化自动调节油腔压力来适应载荷的变化。定 量供油方式有两种：一是由一个多联泵分别 向油腔供油、每个油腔由一个泵单独供油； 二是集中由一个油泵向若干定量阀或分流器 供油后再送入各油腔。
定量供油系统
§7-1 立式推力轴承的分析
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc d c4 pm ps
Qc
由以上可见，四种节流器的作用在于当特性 尺寸一定时，使流量Qc与压力差成正比。当Qc减 小时，压力差减小，因为供油压力pm为常量，故 油腔压力ps必然增大；当油膜厚度h减小时，流经 封油面的流量减小，这时油腔压力增大，使h恢复 到原来的厚度。这就是定压供油系统中使用节流 器的原因。
§7-3 气体润滑轴承
流体动压气体轴承的工作原理与液体轴承完 全相同，也就是由运动表面把流体带人收敛间隙 内，从而产生动压力。但是由于气体的粘度比液 体小得多(空气的粘度仅为润滑油的千分之一)， 因此，气体轴承的动压力和承载能力比液体小得 多，而气体轴承的摩擦阻力或摩擦系数则很小。 气体轴承也可以做成静压轴承。
§7-3 气体润滑轴承
气体轴承的优点： (1)摩擦力很小； (2)如果使用空气，其成本低； (3)润滑剂(空气)对环境无污染； (4)由于气体不像液体那样在高温时沸腾产生汽 化，在低温下也不会凝固，因此气体轴承能适用 于高、低温工况。 (5)不会产生气穴现象，因此润滑膜始终连续。
§7-3 气体润滑轴承
3、补偿器的作用 假设有一个载荷W指向凹槽4， 轴将移向凹槽4而背离凹槽2，在 凹槽4周围区域内，平均油膜厚度h将减小。得出流 量为： K4 3 Q4 Wh 4



K4为取决于凹槽几何形状的常数，而W为由 凹槽中的压力产生的载荷分量。
3、补偿器的作用 如果补偿器为定量供油系统， 则当h4减小时，凹槽中的压力ps4 必定增加，以便将同量的油压出。因为
ln r0 h3 ps Q 6 ln r
§7-1 立式推力轴承的分析
从而得：
Q
h3 ps
6 ln
ps ln r0 r0
r0

h3 p
6 ln r0 r
r
p
r r1
r0 r r1
§7-1 立式推力轴承的分析
压力分布为对数曲线， 承载量W就是压力沿整 个轴承表面的积分。即：
h 3 dr dp Q r C 6 r
C为常数。对上式积分后得：
h 3 p Q ln r C 6
§7-1 立式推力轴承的分析
在外半径r= r0时，p=0，所以
C Q ln r0
因此：
ln r h 3 p Q 0 6 ln r
在内半径r= r1处，压力p=ps(进油压力)，所以：
§7-1 立式推力轴承的分析
将ps用W代替，并 代人式中得：
Wh Q 3 r02 r12
3


W 3 r02 r1立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12


W 3 r02 r12

Q
h3
方程表明承载量随凹槽压力、凹槽半径和轴 承半径而变化，即当轴承结构尺寸固定后，若载 荷增加，油腔压力应当相应增大，以防止油膜厚 度过分减小(即要求提高轴承刚度)。定压供油静压 轴承系统采用不同的补偿器(节流器)就是用来解决 这个问题的。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （2）可适应较广的速度范围，且运动精 度高。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （3）抗振动性能好，刚度大。 由于在静压润滑中油膜厚度h随载荷的立 方根而变化，而动压润滑中油膜厚度h随载荷 的平方根而变化。因此，静压润滑的轴承刚 度比正常动压润滑的轴承刚度大得多，所以 静压润滑能抑制一般的流体动压润滑轴承中 的油膜振荡。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑，是将高压润滑剂输送到 支承油腔内，形成具有足够压力的润滑膜， 以支承轴或滑动导轨面等运动件承受外力的 作用。流体静压润滑有三大优点：
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑有三大优点： （1）即使运动部的速度为零，两个表 面也能被一层完整的流体膜所隔开，克服了 流体动压润滑的支承在 起动、停车或低速 状态下，无法形成足够压力油膜而出现半干 摩擦，导致寿命短的缺点。
W p sr
2 1 2
0

r0
r1
r0 ln r0 r 2 prddr p s r1 2 rdr r1 ln r r 0 1
2 2 r0 2 1 r r 2 2 1 0 p s r1 r ln r0 r dr p s r0 r1 ln r r 2 ln r r 0 1 0 1
这种圆形立式推力轴承系 统，将外半径为r0的轴放在一 个平面瓦块上，瓦块上有一个 半径为r1的圆形凹槽油腔，凹 槽与轴同心，将压力为pS的油 送入油腔。凹槽的深度要足以 保证凹槽内全部油的压力为pS。 r0- r1的环形面积称为油封面， 高压油从油腔向油封面流出。
§7-1 立式推力轴承的分析
研究半径为r、径向宽度 为dr、夹角为dθ的单元微元体， 通过微元体的流量δq可根据流 量公式给出。 由于只有压力流量，则：
§7-2 补偿器及设计参数
各种节流器装在供 油装置压力管线与轴承 凹槽(油腔)之间。 1——小孔节流器 2——毛细管节流器
3——滑阀反馈节流器
4——双面薄膜反馈节流器
1、空载时通过节流器流入支承的一个油腔 的流量Qc 根据流体力学有关公式，求得各种节流器流量 计算式如下： 小孔节流器 毛细管节流器 滑阀反馈节流器 双面薄膜反馈节流器
§7-1 立式推力轴承的分析
Wh 3 Q 3 r02 r12


W 3 r02 r12

Q
h3
方程表示载荷随粘度、油的流量、油膜间隙和半 径而变化的规律，若粘度和半径不变，则 W Q h 3 。 如果通过轴承的流量不变，Wh3也不变，即载荷增加 时，油膜厚度减小很少，轴承刚度较大。定量供油系 统就是解决这个问题的。 实际上较常用的流体静压轴承是定压供油系统。
128Lc
2、设计参数α和节流比β 设计参数α为压力差与供油压力之比
pm ps / pm
设节流比
则
p s / pm
1
设计参数α的计算公式可根据静压轴承系统的结 构及所采用的节流器而推导出，现以立式推力轴承及 毛细管节流器为例，说明其推导过程。
2、设计参数α和节流比β 显然，流人与流出量必须相等，即Qc=Q0于是 可得到： d c4 pm ps Wh 3
气体润滑的缺点： (1)承载能力低，一般为105N／m2，而液体轴承 为107N／m2。 (2)容易发生自激振荡而失去稳定性，一般要采 取能克服这个缺点的设计方法。 (3)由于气体润滑膜要比液体润滑膜薄得多，因 此对轴承的表面粗糙度和加工精度的要求比液体 轴承高得多，以防止更多的微凸体接触。
第七章 流体静压润滑
流体静压润滑的缺点是须使用一套可靠 的供油装置，增大了机械设备的空间、重量 及费用。
流体静压润滑有两种基本类型。
1、定压供油系统
系统的供油压力恒定，压力大小由溢流 阀调节，集中由一个泵向各节流器供油，再 分别送入各个油腔。依靠油液流过节流器时 流量改变而产生的压力降来调节各个油腔的 压力，以适应载荷的变化。下图是目前常用 的定压供油静压支承系统。
h 3 dp q rd 12 dr
负号表示流量沿压力减小的方向流动。
§7-1 立式推力轴承的分析
此流量对称于原点，而 且径向流量Q从内半径r1到 外半径r0保持不变，所以Q 的计算式为：
h 3 dp Q 2r 12 dr
§7-1 立式推力轴承的分析
油膜厚度h为一定值，整 理后得：
Qc 128Lc 3 r02 r12
3


经整理后得：
4 Lh 48d c4 r0 / r1


pm 1.5 。 ps
通常取α=0.5，则节流比β=1.5，或
其他节流器及静压轴承的设计计算公式可从一 般的流体静压支承资料及有关设计手册中查到。
3、补偿器的作用 研究节流器在一个流体静压 径向轴承中的作用。如图轴承中 有4个凹槽(油腔)，凹槽中的压力为ps，在凹槽与岐 管(其压力为pm)之间有补偿器Cl，C2，C3，和C4。当 轴上无载荷，即W=0时，由于4个槽中的压力相同， 因此合力为零；轴与轴承同心，即各个方向的间隙 相同。
d 04 2 pm ps Qc 4
d c4 pm ps Qc 128Lc