静压支承

（1） 衬套与锥套之间的油膜滑动摩擦系数为0.001-0.003
（2） 油膜轴承轴承套壁厚公差<0.005mm，如果超过则需对轴套重新
研磨。
（3） 油膜轴承的宽度：B=0.8m。
（4） 油膜轴承的外径：D=1.140m。
（5） 油膜轴承的给定承载力：20835000N。
（6） 油膜轴承稀油润滑站系统的总流量为：0.319L/s,每套油膜轴承
1 绪论
1.1 问题的提出及意义
1.1.1 问题的提出
在大型的设备中，经常需要一种承载能力大而摩擦力又很小的结构，例如各大中型普通及精密机床、发电机组的轴承、轧机、大型伺服作动器等，目前在冶金、电力、机械制造、航空、航天以及液压行业已广泛采用了静压、动压或静动压支承这种结构。但对于速度较低的情况下动压效果不明显，只能采用静压支承[4]。静压支承又分为液体静压支承和气体静压支承。液体静压支承是靠外部的流体压力源向摩擦表面之间供给一定压力的流体，借助流体静压力来承载，又称为外部供压滑动支承。因而，静压支承在工作时，无论被支承的元件是处于静止状态，还是处在运动状态，都存在一层润滑油膜将摩擦副的工作表面分隔开[8]。轧机机数控立式万能内外圆磨床图3 LTB 水平台静压轴承式振动试验台静压支承与滚动支承、滑动支承相比具有非常小的摩擦系数。其优点是：1）速度极低甚至为零时也能在液体润滑下起动，起动功率极小，这对要求在承载下起动的机器和重型设备的移动特别有利；2）能始终处于液体润滑状态下工作，正常使用时不会磨损，精度保持性好，使用寿命长;3）运动件在压力油包围下工作，故运动精度高、油膜刚度大、阻尼性能好，高速时有抑制油膜震荡作用；4）容易获得预期的设计效果。支承按其结构一般可分为静压支承和静压导轨两种。对于静压支承又可以分为两种形式：一种是平面结构（此种静压支承的上下支承面，一般是两平板结构，在特殊场合也可以采用球面与球窝结构形式），另一种是回转运动的叫做静压轴承。像静压导轨以及静压轴承这些通用的结构已经具有成熟的技术和产品，目前在各种轻型的或重型的、精密的或高效率的机床、机械设备中已逐步得到应用。此外，在以提高加工光洁度、加工精度和加工效率为目的的精化机床设备和提高设备承载能力的技术改造中，静压轴承起着更突出的积极作用，它将更广泛地代替滚动轴承和滑动轴承[3][13]。但是特大型的平面静压支承结构（超过1m的）目前在国内还没在各个行业得到充分的应用，主要原因是大型的静压支承必然会引起加工制造误差大、流量大、温升高、压力大、功耗大等诸多技术问题[11]。本课题是根据实际的产品需求而提出的。此大型静压支承将被应用到重型结构多功能空间加载装置（又名混凝土试验机）上，此装置可用于重型（或特种）结构的整体或其部件、节点的原型或模型，进行空间任意方向的点加载，加载途径可按试验要求设定后，由微机控制、自动执行。该混凝土试验机装置主要由空间构架、液压系统和控制系统三大部分组成，要求加载范围为0－2000t，载荷垂直作用在混凝土立柱上，载荷作用点在水平方向的变化范围为：x 方向± 300，y 方向± 100。由于立柱在大载荷作用下会发生弯曲变形，则在水平方向上就会有位移，为保证水平方向的分力不影响立柱的受力状态，就必须使载荷作用点在水平方向实时跟动。跟动的措施有：1、利用滑动摩擦，2、利用滚动摩擦，3、利用静压支承4、利用磁悬浮。虽然滑动摩擦和滚动摩擦的摩擦系数不大，但在2000t 的载荷下的摩擦力仍然非常大，对混凝土立柱的水平方向受力有影响静。磁悬浮的摩擦系数非常小，但是造价太高，不适应于工程运用。静压支承在低速下的摩擦系数几乎为零，比滚动摩擦和滑动摩擦小的多，因此选用静压支承。
1.1.2 本课题的意义
提出的新型静压支承结构，打破了传统的静压支承设计方法，采用闭环油膜控制方式解决了由于大载荷变动而带来的支承面尺寸大、加工误差大、流量变化大、油腔压力变化大等一系列问题。虽然本课题提出的新型结构是在平面静压支承下提出的，但是平面静压支承与球面、径向等静压支承的支承原理是一样的，如果本新型静压支承结构在平面下可行，则可以推广到球面与径向静压支承。目前国内生产的众多大型试验机中，采用的随动结构大多为滑动或滚动摩擦结构。本课题采用的静压支承结构，减小了摩擦力对水平方向作用力的影响，提高了试验机的性能和对试件的测量精确度，成本相对低廉。如果研究取得成功，则可以在各个行业内应用。因此，本课题的研究既在理论上有重要意义，又在工程实际方面具有很大的应用价值。
由于静压支承具有良好的油膜均化作用，因此它成为现代精密加工设备的主要支承。为了弄清楚均化理，了解有关零件精度对支承运动精度的影响程度，从而近一步提高运动精度，近年来对这方面的研究正在深入。以前人们对静压支承的研究主要是节流形式，研究出固定节流，可变节流及定量供油等形式，以获得良好的静压轴承刚度，但各种形式在高频下具有几乎相同的动态刚度。近年来的研究重点已转化为油腔结构，用尽可能简单而便于加工的节流器与合理的油腔结构相匹配，达到良好的动静特性，这包括[23]：
（1）形形色色的混合轴承
七十年代出现的动静压混合轴承综合了动压及静压承载的机理，提高了轴承的动态特性及可靠性，同时降低油泵的功耗。此外，为适应不同的需要，出现了许多其他形式的混合轴承，如用于航空发动机上的静滚混合轴承以提高转速及解决高速大型轴承的疲劳寿命问题。
（2）低摩阻油腔结构
现代技术的发展需要越来越高的转速，例如在切削钛时切削速度已经达到70m/s，而其目标值为600m/s。要达到如此高速，主轴的转速要达到100000r/min以上，为保证高的刚度，主轴直径需要变大，这势必导致主轴摩擦功耗的增大。通常高速静压支承采取减小封油面宽度，增大间隙，降低润滑油的粘度等手段，但这样挤压阻尼下降，影响动刚度的稳定性。英国UMIST 和MATIRA 合作研究的摩阻轴承“TCF”轴承，这类轴承的结构特点是：在周向封油面上开有特殊的槽，液阻在旋转方向最小，在周向较大，从而减少摩擦磨损，同时保证油腔有较高的挤压阻尼；采用外部回流系统，阻止产生涡流，从而降低摩阻。
我国的包头钢铁公司引进了具有世界先进水平的德国sms西马克和siemens西门子公司的紧凑式带钢生产工艺其中的四辊精轧机组为六机架热连轧机轧辊两侧的轴承为油膜轴承它是轧机的关键部件它工作状态的好坏将直接制约着薄板的生产所以油膜轴承必须性能可靠寿命长并且便于维护此精轧机组上所采用的静动压油膜轴承它采用的是封闭型结构的金属滑动轴承能适用于非常恶劣的环境条件
图1.1混凝土加载试验机
下面是20000kN 作动器静压支承跟动装置组成及工作性能：
Ø由静板、动板及阀块组件等组成。
Ø跟动范围：x向±300mm，y向±100mm。
Ø 动板上装有承重滚轮，用于不加载时20000kN 主油缸落在横梁下表面的导轨上，可沿水平面x方向移动。
传统的静压支承油腔压强不到1MPa,只能承受10 公斤以内的载荷，此静压支承的承载范围在0～2000t之间，相应地油腔压强要达到12.5MPa,如果直接把油腔压力提高到12.5MPa,那么泄漏量将是惊人的。也就是说采用目前已存在的静压支承的结构是不合理的，这就需要提出一种新型的静压支承结构。本课题提出的新型静压支承采用传统的静压支承和密封相组合的结构型式对此大面积的静压支承，其油膜厚度必然很大，因为在一般情况下，取20 200 minh mm:，尺寸大，速度高，工作条件恶劣时宜取较大值。由此可见，设计需要保证油膜的刚度使之在载荷不断增大时，能在两个摩擦副之间仍能撑起满足要求的油膜厚度，避免两个摩擦副直接产生接触，而引起静压支承失效。要使其能满足承载能力变化范围大、油膜刚度高、抗偏载能力强、并具有良好的动态性能的特点，必须在理论上正确计算和研究设计出此静压支承的结构及闭环控制回路，控制油膜厚度在合理精确的范围内。在载荷变化范围大的情况下，要想保证油膜厚度变化范围小，就需要利用改变受载面积，使静压支承有效面积随着载荷的增减而自动增减。并在实验中进行验证得到正确的结论，从而使其得到合理的应用。
的供油量为：0.001329L/s
（7） 油膜轴承的最小油膜厚度0.064mm。
由于此油膜轴承是轴向回转的，所以其轴承套壁厚的磨削公差<0.005mm,即此轴承的最小油膜厚度是0.064mm[3]，相对于本课题所设计的静压轴承的油膜最小厚度而言属于较小的，尽管如此，此油膜轴承的流量仍然很大，为0.001329L/s，同时会造成整个液压系统的功耗大。液体动静压混合轴承是我国80年代发展起来具有世界先进水平的高新技术产品。是一种既综合了动压轴承和静压轴承的优点，又克服二者缺点的新型滑动轴承。由北京北航精密机电有限公司（原北京中航设备改造研制厂）生产的“液体动静压混合轴承及主轴功能部件”利用孔式环面节流与浅腔节流串联的结构， 使压力油进入油腔中产生足够大的静压承载力，将主轴悬浮在高压油膜中间，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成的轴与轴承磨损现象，提高了主轴的使用寿命及精度保持性。该产品1992 年被国防科工委定为“八五”重点推广的高科技产品；1993年被北京市科委列为重大科技成果推广项目； 1997年获航空部级科技进步二等奖；1999 年被评为国家级科技新产品。目前已有28 个省、市、自治区的500 家企业的数千台设备上使用了液体动静压混合轴承，创造了良好的社会和经济效益。动静压轴承不仅用于外圆磨床和内圆磨床，在沟道磨床、曲轴磨床、无心磨床、工具磨床、平面磨床、轧辊磨床、螺纹磨床、弧齿磨床、精密镗床、电机主轴、金刚镗头等设备上应用均取得了良好的使用效果。北京飞航精密机械设备有限公司为我国某重型机械集团公司改造的一台上世纪50 年代苏联产M3724 平面磨床，该磨床原主轴及轴承已报废，设备停机，采用动静压平磨组件进行改造，粗磨进刀量达0.3mm，是原设计的5～6 倍[13]。
1.2 国内外应用及现状
最早的液体静压支承的雏型是在1878年巴黎国际展览会上展出的能灵活浮动的展品。1938 年美国加利福尼亚州的帕罗马尔山天文观测站在200英寸天文望远镜上，首次成功地应用液体静压推力轴承。该望远镜重量为500t,转速为1 转/天，但驱动功率仅需70W。1945 年法国工程师P.Gerard发明了向心静压轴承，并成功地应用于磨床砂轮主轴。在以后的几十年中，静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎遍及整个机械制造行业，包括仪器、冷轧机、雷达天线座等民用与军工的设备上[8]。我国对静压技术的研究和应用是从六十年代开始的。北京航空航天大学陈燕生教授等在这方面做了很多工作。西安交大轴承研究所也曾做过这方面的研究[11][13]。广州机床研究所等单位在七十年代开始研究动静压轴承，并根据不同的性能要求分别应用于一些机床设备上。为制造精密磨床，在国内上海机床厂于1958年首先开展该技术的研究，目前该技术已成熟，正在机械制造业中推广，在机床及设备中尤其在高精度、高效率和重型的机床中已取得良好的成效。不但给新产品设计提供性能良好的新型支承，提高了机床及设备的精度和效率，而且有利于旧设备的精密化。国外对动静压的研究[14]-[17]也没有对动压的广泛。到目前为止，人们对静压支承的研究主要集中在平面支承和轴承上。然而，目前国内已应用的大型的静压支承并不多，浙江大学流体实验室提出了高精度测量巨型转动构件偏心质量的方案，此方案采用了静压支承原理，使得质量达数百吨的转动构件处于无摩擦的悬浮状态，从而克服了刚性支承下摩擦力对平衡精度的影响，具有很高的灵敏度和平衡精度。这篇论文在讨论和比较了球面与球窝结合和平面与球面的结合（它实际上与液压缸的承载方式相类似）两种具体的方案以后，提出了平面与球面结合的静压支承形式具有更多的优点，它可以提高装置的支承能力，减少支承件的尺寸，降低系统功耗，同时也降低了支承件的加工要求，因此此方案是一种很好的工程测量方法。对于球面与球窝结合的静压支承，为提高大型球面支承的自调整能力，可变间隙阻尼的槽数不能太少，否则有可能反应不灵敏。本方案拟取槽数为8 个。为了兼顾提高承载能力、减少结构尺寸，减少泄漏油等不同要求，方案中采取双重压力供油：中央部供油压力p1，阻尼槽供油压力为p2，并且p1和p2均可根据转轮的质量进行必要的调整，保证工作性能[1]。我国的包头钢铁公司引进了具有世界先进水平的德国SMS 西马克和SIEMENS西门子公司的紧凑式带钢生产工艺，其中的四辊精轧机组为六机架热连轧机，轧辊两侧的轴承为油膜轴承，它是轧机的关键部件，它工作状态的好坏将直接制约着薄板的生产，所以油膜轴承必须性能可靠，寿命长，并且便于维护，此精轧机组上所采用的静-动压油膜轴承，它采用的是封闭型结构的金属滑动轴承，能适用于非常恶劣的环境条件。此油膜轴承是从美国摩根公司引进的，它的基本参数是：