液体静压轴承是什么？液体静压轴承的结构与发展

Sulli小苏：今天详细介绍下液体静压轴承。主轴的滑动轴承，按其产生油膜压强的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。液体静压轴承是指：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。

主轴的滑动轴承，按其产生油膜压强的方式，可分为动压轴承和静压轴承两类。今天介绍的是液体静压轴承。

液体静压轴承是指：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、刚性较高、转动平稳、无振动的特点，但需要专用油箱供给压力油，高速时功耗较大。广泛用于超精密机床。

动压轴承是靠轴的转动形成油膜而具有承载能力的。承载能力与滑动速度成正比，低速时，承载能力低。静压轴承油膜较厚，对轴颈和轴瓦的圆度误差能起均化作用(图1)故静压轴承还用于精度要求较高的主轴。静压轴承需要一套供油设备(液压泵、电动机、油箱)对油的洁净度要求也较高。所以能用动压轴承应尽量用动压轴承，只有动压轴承不能满足要求(如低速，转速变化大，高精度)时才用静压轴承。

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。

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。

液体静压轴承的优点

1、纯液体摩擦，摩擦阻力小，功率消耗小，传动效率高。

2、正常运转和频繁起动时，都不会发生金属之间直接接触造成的磨损，精度保持良好，寿命长。

3、由于轴颈的浮起是依靠外来油的压力来实现的，因此在各种相对运动速度之下，都具有较高的承载能力，速度变化对油膜刚度影响小。

4、润滑油层具有良好的抗振性能，轴运转平稳。

5、油膜具有补尝误差的作用，能减少轴与轴承本身制造差的影响，轴的回转精度高。

液体静压轴承的分类与几种典型结构

分类

（1）液体静压轴承按回油方式分：有周向回油，无周向回油，腔内孔式回油。

（2）液体静压轴承还可分成：径向轴承、推力轴承和径向推力轴承（如图2所示）。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。

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塞。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，自然形成模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。适用于高速轻载的机床主轴。

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。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。

图4为柱销式内反馈动压轴承的结构简图，图5为其节流器结构简图。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。

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。

液体静压轴承的发展

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。

随着机器向高效、精密的方向发展，静压轴承技术也面临挑战。

（1）对于静压轴承，温度的影响严重地存在。要采取降温措施。设计时应考虑由于材料热膨胀系数的差异引起轴承间隙的变化。

（2）进一步地完善磨床主轴结构，采用合适的油腔数目、参数，磨削精度可以进一步提高。

（3）为进一步提高轴系的动态刚性，目前机床静压轴承正向提高供油压力方向发展，以适用于粗精加工的需要。

（4）在高速、重载的下工作的静压主轴，要综合考虑动压效应、热效应、挤压膜效应、油可压缩性效应，以及轴与轴承弹性变形的影响。

（5）静压轴承的标准化，系列化设计和作为通用零件出售，是静压技术成熟的标志。磨床静压主轴标准化，系列化设计等。这些都标志着我国静压技术发展进入了一个新阶段。

（6）尽管静压轴承的制造已不困难，但轴承和主轴的制造工艺还有很大的改进失地。其基本要求是如何保证和提高前、后径向轴承的同心度和推力轴承与径向轴承内孔的垂直度。

（7）静压轴承供油系统中，过滤器还有进一步改进研制的必要。过滤器精度如能控制在5微米以下，就能确保静压主轴的性能和使用寿命。

（8）还应从事应用静压主轴改进现有制造工艺的研究，如要获得与一般主轴相同的制造精度，对于砂轮主轴可采用大粒度砂轮，快速修正来提高效率，也可用CBN砂轮；可以合并工序，减少磨削工序，在产品质量允许的情况下，实现粗精一次装夹磨出:甚至实现以磨代车或以磨代超等工艺。以提高效率。

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