几种典型液体静压轴承结构特点与应用
液体静压轴承的设计与应用
液靜壓軸承的設計與應用
Design and Application of Hydrostatic Bearings
工研院 機械所 黃華志
2008.05.05
© 黃華志 /ITRI/970505
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內容大綱
流體軸承的分類與發展 液靜壓軸承的潤滑原理 液靜壓軸承系統簡介 液壓軸承的種類與構型 液靜壓軸承的設計考量 液靜壓軸承的工業應用例
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靜壓軸承的發展歷史
1780 C.A. Coulomb: 發現磨擦力並提出動、靜磨擦係數的概念。 1854 G. A. Hirn:研究流體動壓潤滑，並提出可用氣體作為軸承潤滑液的新觀念。 1862 L.D. Girard: 發明液靜壓軸承應用於火車車輪軸承雛形，磨擦係數為 0.002 (註 : 滾動軸承為0.01，普通滑動軸承為0.1) ，於 1878年巴黎工業博覽會全世界首次發表。 1883 N. Petrov:對流體潤滑之磨擦效應首先提出理論解。 1883 B. Tower:發現有外負載的油潤頸軸承對應的局部壓力遠高於其平均壓力，並指 出完全流體潤滑是可行的。 1886 O. Reynolds:在不知道 N. Petrov理論情況下，提出分析層流之流體薄膜方程式， 成功的解釋B. Tower的結果。 1932 H.W. Swift ， 1933 W Stieber:提出針對Reynolds Eq.的流體邊界條件。 1938: 美國加州 Polomar山上ψ200吋(5.08m)、重445公噸之Hale天文望遠鏡，首次使用 六個 28吋 (71.1cm)正方形液靜壓平面軸承墊 (每墊有四個油腔 ) ，油膜厚度為 0.127mm ， 磨擦係數為 0.000004 ， 旋轉時僅需1/12hp (62W)馬達作驅動。 1941 Christopherson:首先提出求解Reynolds Eq.的數值分析法。 1947 D.D. Fuller:發表一系列靜壓軸承設計與計算論文與專書，因而推動其廣泛應用。 1948: 法國工業界首先在工具機磨床上使用液靜壓軸承。 1930-1950: 應用於國防工業的陀螺儀，飛彈致動器與人造衛星之軸承。 1960-:廣泛應用於渦輪發電機、牙科鑽頭、 精密儀器與工具機之軸承。 1970-1980:電腦與軟體程式大幅使用在靜壓軸承的設計與(最佳化)分析。 1990-:因應精微加工之工具機需求大增，靜壓軸承再度成為眾所矚目之焦點。
液体静压双向止推轴承的设计与分析
液体静压双向止推轴承的设计与分析液体静压轴承由于具有一系列优点而被广泛应用于各种精密及重型机械中。
分析研究了液体静压止推轴承的结构形式及其工作原理；根据实际应用需求，在一台大型立式车床的主轴系统上，采用小孔节流及周向回油槽等结构形式，设计了液体静压双向止推轴承的结构，并设计计算了其主要参数。
标签：液体静压轴承结构工作原理设计0 引言液体静压止推轴承的主要特点是静摩擦系数极小，承载能力高并且和转速无关，转盘的启动转矩小，使用寿命长，而且由于液体油膜有非常好的阻尼特性，使得切削时产生的振动较小，主轴回转精度较高。
正是由于具有上述一系列优点，液体静压止推轴承被广泛应用于各种精密机床的运动部件中。
而作为机床设备中的主要部件，其性能的优劣直接关系到设备的加工质量和运行效率。
1 液体静压止推轴承的结构及工作原理根据油腔的结构形式的不同，静压止推轴承的结构形式分为环形油腔静压止推轴承、多油腔静压止推轴承。
对于环形油腔静压止推轴承，这种结构形式结构简单、加工方便，但是只能够承受通过轴心的轴向载荷，无支承倾覆力矩的能力，因此必须与径向静压轴承一起使用。
本文中设计的液体静压止推轴承为外部定量供油轴承。
因为轴承与主轴间的润滑油膜压力主要由外部供油系统供给，借助改变流量补偿轴承载荷的变化来保持主轴的稳定性能的。
因此，静压轴承必须有一套液压供油系统。
供油系统输出的压力油经过节流器或定量阀输送到轴承油腔。
由于油腔四周的封油面与轴径间的配合间隙很小，形成了出流液阻，油腔内形成压力油膜，将受载主轴浮起并实现液体润滑。
2 液体静压止推轴承的结构设计双向止推轴承是两个单向止推轴承的组合，其承载能力是两个单向止推轴承承载能力之差，而刚度与流量分别是两个单向止推轴承刚度与流量之和。
根据要求，加工过程中，主轴系统的总负载约为10000N，因此，为了增加承载能力及提高主轴的定心能力，在止推轴承上、下幅板分别设计八个相同的扇形油腔，两油腔中间设计轴向回油槽，防止油腔内的回流现象，增加系统的稳定性。
静压轴承的原理及应用
０２ ． ５～０． ４ｍｍ。
精度的要求 比动压轴承低； 摩擦副表面上 的压力 比
较均匀 ， 轴承的可靠性和寿命较高； 可精确地获得预 期 的轴承性能； 轴承的温度分布较均匀， 热膨胀 问题
因数 小 、 作 寿 命 长 ； 压 轴 承 有 “ 化 ” 差 的 作 工 静 均 误 用 ， 减 小 制造 中不 精 确性 产 生 的影 响 ， 对 制 造 能 故
其次 ， 节流比。节流 比 Ｂ 的理论值是 １ ～１ ． ． ２ ５
之间 ， 而根 据多 年 的经 验 以 １２ ．５为佳 。这 样在 维修
不 如动 压轴 承严 重 。 静 压 轴承 适 应 的工 况 范 围极 广 ， 载荷 以克计 从
二、 ＝ 薄膜 反 馈 节流器
薄膜 反 馈节 流 轴 承 刚度 是很 大 的 ， 机床 在 运 但 行 中也常 出现抱 瓦 、 拉毛 、 掉压 等现 象 。薄膜 反馈最
的精密仪器到载荷达数千吨的重 型设 备都有采用 静压轴承的。靠外部供给压力油 、 在轴承内建立静 压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压 轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作， 所以没 有磨损， 使用寿命长， 起动功率小 ， 在极低（ 甚至为零）
中， 需要对主轴的几何精度 、 前后轴瓦的几何精度 、
同轴度 、圆度及锥度进行严格控制 ，以便保证 ｐ 值 。根据机床的承载能力确定 ｅ （ 值 主轴与轴瓦几
何 中心的偏心量 ）使 １ ， ３值最佳。 第 三 ， 油 腔 在 不 装 主 轴 时 ， 个 出 油 口的油 各 各 柱 必 须 一致 （ 察 法 ）若 不 一 致 ， 采 取 改 变 节 流 观 ， 应
(完整版)液体静压轴承
液体静压轴承yeti jingya zhoucheng液体静压轴承hydrostatic bearing靠外部供给压力油、在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。
液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作,所以没有磨损,使用寿命长，起动功率小，在极低（甚至为零）的速度下也能应用。
此外，这种轴承还具有旋转精度高、油膜刚度大、能抑制油膜振荡等优点，但需要专用油箱供给压力油，高速时功耗较大。
简史 1862年，法国的L.D.吉拉尔发明液体静压轴承,指出摩擦系数可小至1/500。
1917年，英国科学家瑞利发表求解液体静压推力轴承的承载能力、流量和摩擦力矩方程。
1938年，美国在大型天文望远镜上应用液体静压轴承，承载总重量500吨,每昼夜转动一周，驱动功率仅1/12马力。
1948年法国开始把液体静压轴承用于磨床上。
现代液体静压轴承已成功地用于重型、精密、高效率的机器和设备上。
分类液体静压轴承分径向轴承、推力轴承和径向推力轴承(图1[液体静压轴承的类型])。
它有供油压力恒定和供油流量恒定两种系统。
供油压力恒定系统较为常用。
作用原理图2 [供油压力恒定系统的液体静压轴承]为供油压力恒定系统的液体静压轴承和轴瓦的构造。
外部供给的压力油通过补偿元件后从供油压力降至油腔压力，再通过封油面与轴颈间的间隙从油腔压力降至环境压力。
多数轴承在轴不受外力时,轴颈与轴承孔同心,各油腔的间隙、流量、压力均相等，这称为设计状态。
当轴受外力时轴颈位移，各油腔的平均间隙、流量、压力均发生变化，这时轴承外力与各油腔油膜力的向量和相平衡。
补偿元件起自动调节油腔压力和补偿流量的作用，其补偿性能会影响轴承的承载能力、油膜刚度等。
供油压力恒定系统中的补偿元件称为节流器，常见的有毛细管节流器小孔节流器滑阀节流器、薄膜节流器等多种。
供油流量恒定系统中的补偿元件有定量泵和定量阀补偿元件不同,轴承载荷-位移性能也不同（图3[不同补偿元件液体静压径向轴承的载荷-位移性能比较]）由于轴的旋转,在轴承封油面上有液体动压力产生,有利于提高轴承的承载能力。
静压轴承
工作原理
采用静力润滑的滑动轴承称为静压轴承。静力润滑与动力润滑原理不同，静压轴承由外部的润滑油泵提供压 力油来形成压力油膜，以承受载荷。虽然许多动压轴承亦用润滑油泵供给压力油，但其性质是不同的，最明显的 是供油压力不同，静压轴承的供油压力比动压轴承高的多。
静压轴承的主要特点之一，是在完全静止的状态下，也能建立起承载油膜，能保证在启动阶段摩擦副两表面 也没有直接接触，这在动压轴承是绝对不可能的。
静压轴承
滑动轴承之一
01 简介
03 优点 05 发展
目录
02 工作原理 04 使用范围
静压轴承滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。
简介
静压轴承，滑动轴承的一种，是利用压力泵将压力润滑剂强行泵入轴承和轴之间的微小间隙的滑动轴承。属 于按润滑性质分非完全流体润滑滑动轴承、完全流体润滑滑动轴承、无润滑滑动轴承中的完全流体润滑轴承的一 种，另一种完全流体润滑轴承为动压轴承，特点是在任何轴的转速下具有极高的旋转精度和高的承载能力，但和 动压轴承相比缺点是需要一套完善的外部油泵系统。按润滑剂的种类可以分为两类，一类的液体静压轴承，主要 是使用油为润滑剂，另一类是气体静压轴承，使用的是气体作润滑剂，主要是使用空气作为润滑剂，使用多的为 液体静压轴承，空气静压轴承使用范围较小。主要使用在极高转速的机构上，如陀螺仪，润滑系统由油箱，润滑 泵，过滤器，溢流阀，安全阀，蓄能器，节流器，油腔，封油面等 。
液体动静压轴承的油腔结构特性分析
Science &Technology Vision 科技视界0引言随着先进制造业的发展,液体动静压滑动轴承的应用也越来越普遍。
而对于动静压支撑设计,一旦确定支撑方案后,对轴承性能影响最大的是液腔的数量和结构。
在对主轴回转性能的研究中已经证明当液腔的数量是轴颈圆度误差多边形的整数倍时,轴颈的圆度误差对主轴回转精度的影响最小。
研究供液压力、轴承的相对间隙和润滑介质相同的情况下,轴承的承载力、温升和轴颈的静平衡轨迹变化规律可以使我们根据要求合理的布置液腔的结构形状。
近年来,CFD 在流场计算中应用日益广泛,并出现了如PHOENICS、CFX、FIDIP、FLUENT 等多个商用CFD 软件,其中FLUENT 是目前功能最全面、适应性最广、国内使用最广泛的CFD 软件之一[1]。
PYP Chen 和EJ Hahn [2]等用滑动轴承、阶梯轴承、径向轴承在定常单向承载、稳态工况下求得雷诺方程的解析解,并用CFD 方法求得的解进行对比证明当雷诺数较小时,CFD 方法和求解雷诺方程得到的解析解是基本重合的.而当雷诺数增大时,惯性项的影响增大,二者的压力分布和最大压力出现了偏差。
蒋小文,顾伯勤[3]利用CFD 方法研究了收敛楔形间隙中流体的稳态、一元流动进行了数值模拟,得到了间隙中流体膜的压力和速度分布,数值模拟与解析结果基本吻合,表明了数值模拟的正确性。
1液体动静压轴承的油腔结构1.1常见的油腔结构形式目前常见的油腔形状有圆形油腔、三角形油腔和方形油腔。
直观上看,方形油腔是目前普遍应用的油腔形式,适用于主轴转速较高、自重较小的动静压轴承;圆形油腔便于加工,该类轴承的制造费用比方形腔轴承低30%。
对于三角形油腔,将等边三角形的一个角设置成与轴颈角速度方向相同,可以减小轴承的平均轴向流量,进而提高稳定性。
Purdue 大学的N.M.Franchck 与Texas A&M 大学的D.W.Child 等对上述三种油腔轴承的性能进行了实验分析研究,获得了大量实验性结果。
液体动静压轴承的油腔结构特性分析
液体动静压轴承的油腔结构特性分析【摘要】动静压轴承的承载性能主要由轴承的动压、静压混合效应决定，而不同的油腔结构又影响着动静压的混合效应。
因此，本文在动静压轴承的特性分析上主要从动静压轴承的油腔结构入手，以fluent为工具，着重分析了方形油腔、三角形油腔和圆形油腔对轴承承载特性的影响，进而为动静压轴承结构设计提供理论参考。
【关键词】动静压轴承；承载特性；有限体积法0 引言随着先进制造业的发展，液体动静压滑动轴承的应用也越来越普遍。
而对于动静压支撑设计，一旦确定支撑方案后，对轴承性能影响最大的是液腔的数量和结构。
在对主轴回转性能的研究中已经证明当液腔的数量是轴颈圆度误差多边形的整数倍时，轴颈的圆度误差对主轴回转精度的影响最小。
研究供液压力、轴承的相对间隙和润滑介质相同的情况下，轴承的承载力、温升和轴颈的静平衡轨迹变化规律可以使我们根据要求合理的布置液腔的结构形状。
近年来，cfd在流场计算中应用日益广泛，并出现了如phoenics、cfx、fidip、fluent等多个商用cfd软件，其中fluent是目前功能最全面、适应性最广、国内使用最广泛的cfd软件之一[1]。
pyp chen和ej hahn[2]等用滑动轴承、阶梯轴承、径向轴承在定常单向承载、稳态工况下求得雷诺方程的解析解，并用cfd方法求得的解进行对比证明当雷诺数较小时，cfd方法和求解雷诺方程得到的解析解是基本重合的.而当雷诺数增大时，惯性项的影响增大，二者的压力分布和最大压力出现了偏差。
蒋小文，顾伯勤[3]利用cfd 方法研究了收敛楔形间隙中流体的稳态、一元流动进行了数值模拟，得到了间隙中流体膜的压力和速度分布，数值模拟与解析结果基本吻合，表明了数值模拟的正确性。
1 液体动静压轴承的油腔结构1.1 常见的油腔结构形式目前常见的油腔形状有圆形油腔、三角形油腔和方形油腔。
直观上看，方形油腔是目前普遍应用的油腔形式，适用于主轴转速较高、自重较小的动静压轴承；圆形油腔便于加工，该类轴承的制造费用比方形腔轴承低30%。
几种典型液体静压轴承结构特点与应用
几种典型液体静压轴承结构特点与应用本文介绍了几种典型的、使用场合较多的液体动静压轴承的结构及特点，并举了各种动静压轴承在机床上应用的实例及效果。
液体动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗震性能好，主要用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。
既可用于旧机床改造，也可用于新机床配套。
采用动静压轴承可以完全恢复机床因主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面粗糙度；提高机床主轴精度和切削效率；并可多年连续使用而不需维修。
多年来我国一些企业采用动静压轴承为新机床配套和进行国产和进口旧机床设备改造，均获得了满意的使用效果和显著的经济效益。
液体动静压轴承综合了静压轴承的优点，消除了这两种轴承的不足。
其特点是采用整体式轴承与表面深浅腔结构油腔轴承系统工作时主轴被一层压力油膜浮起，主轴为经电机驱动已悬浮在轴承之间发生机械摩擦与磨损，从而提高轴承寿命且有良好的精度保持性。
当电机驱动主轴旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动静压承载油膜，轴承成为具有静压压力场的东压滑动轴承。
与三块、五块瓦相比，动静压轴承为整体式使结构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性连接，是油膜刚度得到充分的发挥利用。
主轴工作时，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加，有很强的承载能力。
压力油膜的“均化”作用可使主轴回转精度高于轴颈和轴承的加工精度。
一、静压轴承的几种典型结构及特点液体动静压轴承所采用油腔结构、节流器与静压轴承相比均不相同。
静压轴承采用的固定节流器有“小孔”、“毛细管”等，可变节流器大多设置在轴承外部的静止部位，结构复杂，使用时常因节流器出面截流面太小，油液杂质易堆积而发生堵赛。
早期设计的动静压轴承为浅腔结构，分有节流器和无节流器两种。
图1为节流器的动静压轴承，深腔与浅腔形成静压腔，浅腔兼备节流功能。
压力油ps 进入中间环槽后，流入深腔和浅腔，经两端的轴向封油面排出，当主轴在轴承中高速旋转时，由于浅腔同轴向封油面台阶及主轴中心的轴承中微小偏心，自然形成楔形油膜而产生动压承载油膜。
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几种典型液体静压轴承结构特点与应用
本文介绍了几种典型的、使用场合较多的液体动静压轴承的结构及特点，并举了各种动静压轴承在机床上应用的实例及效果。
液体动静压轴承精度高、刚度大、寿命长、吸振抗震性能好，主要用于精密加工机械及高速、高精度设备的主轴。
既可用于旧机床改造，也可用于新机床配套。
采用动静压轴承可以完全恢复机床因主轴轴承问题而丧失的加工精度和表面粗糙度；提高机床主轴精度和切削效率；并可多年连续使用而不需维修。
多年来我国一些企业采用动静压轴承为新机床配套和进行国产和进口旧机床设备改造，均获得了满意的使用效果和显著的经济效益。
液体动静压轴承综合了静压轴承的优点，消除了这两种轴承的不足。
其特点是采用整体式轴承与表面深浅腔结构油腔轴承系统工作时主轴被一层压力油膜浮起，主轴为经电机驱动已悬浮在轴承之间发生机械摩擦与磨损，从而提高轴承寿命且有良好的精度保持性。
当电机驱动主轴旋转时，轴承油腔内由于阶梯效应自然形成动静压承载油膜，轴承成为具有静压压力场的东压滑动轴承。
与三块、五块瓦相比，动静压轴承为整体式使结构，轴承与箱体孔接触面积大，为刚性连接，是油膜刚度得到充分的发挥利用。
主轴工作时，油膜刚度是轴承静态刚度与动态刚度的叠加，有很强的承载能力。
压力油膜的“均化”作用可使主轴回转精度高于轴颈和轴承的加工精度。
一、静压轴承的几种典型结构及特点
液体动静压轴承所采用油腔结构、节流器与静压轴承相比均不相同。
静压轴承采用的固定节流器有“小孔”、“毛细管”等，可变节流器大多设置在轴承外部的静止部位，结构复杂，使用时常因节流器出面截流面太小，油液杂质易堆积而发生堵赛。
早期设计的动静压轴承为浅腔结构，分有节流器和无节流器两种。
图1为节流器的动静压轴承，深腔与浅腔形成静压腔，浅腔兼备节流功能。
压力油ps 进入中间环槽后，流入深腔和浅腔，经两端的轴向封油面排出，当主轴在轴承中高速旋转时，由于浅腔同轴向封油面台阶及主轴中心的轴承中微小偏心，自然形成楔形油膜而产生动压承载油膜。
主轴只能按图1所示W方向旋转。
图2为纯浅腔结构的动静压轴承。
压力又通过环形槽进入两侧的若干浅腔。
该轴承结构简单，但静压承载力较低，可双向旋转。
上述两种动静压轴承适用于高速轻载的机床主轴。
图3是孔式环面节流深浅腔动静压轴承的结构简图。
仅有空采用φ1~φ1.3小孔，小孔直径与主轴间隙组成的圆柱面和浅腔构成两次节流。
同前两种动静压轴承相比，主轴的静态承载
力增强。
如需进一步提高轴承承载力可在轴承上开制轴向回油槽（图3序线所示），轴承的供油量会有所增加。
这类轴承适用于中速中载的机床主轴，如MG1432外圆磨、MM7150平磨、M1080无心磨？？、扎辊磨等。
图4位柱销式内反馈动压轴承的结构简图，图5位其节流器结构简图。
节流器由圆台和主轴间隙构成，具有薄膜反馈、滑阀反馈及内部反馈节流器的性能。
由于节流器的阻尼是随外载荷变化的所以轴承既具有最佳静压承载能力，又可大大降低节流器的摩擦功耗，高速时还可最大限度地发挥动压效应。
该轴承在低速及中高速时均有很强的承载能力，适用于载荷与速度变化范围大的机床主轴。
主轴低速重载回转时，对轴承动压承载能力要求较低，此时可采取增加轴承深腔面积、减少浅腔面积和开设轴向回油槽的方法来满足对轴承钢度和载荷能力的要求。
由于动静压轴承是利用静压和动压的叠加作用为了适应各类机床主轴的性能要求，轴承的结构形式可按需要进行设计，有些接近于静压轴承，有些则更相似动压轴承。
这进一步说明，动静压轴承不仅比纯静压轴承或纯动压轴承具有更好的性能，而且能适应不同类型机床主轴工作时对刚度及承载能力的亚要求。
现在使用的孔式环面节流器与圆柱销式内反馈式节流器都加工在轴承体上，不需要增设外部油路，而且是在轴颈与轴承孔的间隙进行自然节流，工作时轴颈与轴承的相互运动是润滑油杂质不易堆积。
该类节流器使用既方便要安全，还免除了原静压轴承节流器容易堵塞带来的麻烦。
图6为径向止推动静压轴承的结构简图。
这类轴承可以同时承受径向力和一个方向的轴向力。
它是在径向动静压轴承基础上一段增加平面止推动静压轴承组成的所谓联合轴承。
动静压止推轴承得止推面上设有动压油腔和动静压又油腔，采用孔式环面节流器，油腔由深腔和浅腔组成。
主轴轴肩舆止推棉被一层静压力油膜隔开，主轴旋转时即可自然形成动压承载油膜承受轴向载荷。
根据主轴结构及工作性能要求，可在主轴端各用一个联合轴承，或在主轴一端用一联合轴承和一个平面动静压止推轴承来实现。
如果旧机床主轴本身带有止推结构，改造时可保留原则结构省去动静压轴承。
如MQ8260曲轴磨床改造就利用原主轴上得止推结构
图7为锥动静压轴承的简图，它可同时承受径向力和轴向力，只须将其放置在轴两端原径向轴承的位置就能起到径向止推轴承的作用，既可以省去一对止推轴承使主轴结构大为简化，还可减少总的摩擦面积，降低摩擦功耗及减小供油量。
这种轴承可以根据主轴的工作的情况选配任何一种节流器，可制造成有轴向回油槽（图7虚线所示）或无轴向回油槽结构。
同时该轴承的装配，调整极为方便。
由于动静压轴重要参数“轴承间隙”可在轴承结构设计、制造加工完成后，在装配时通过调整圆锥轴承在主轴上的轴向位置来改变，使得轴承的承载能力、刚度、流量处于理想状态。
圆锥动静压轴承的轴向承载力不如平面止推动静压轴承，因此常用于轴向承载要求不高的场合。
由于其功耗小，特别适用于高速内圆磨头主轴系统，如M2110内圆磨头。
近年来已应用在电主轴和内沟道磨床中。