随着高速切削技术的快速发展, 旋转机械越来越趋向于高速、高效、大功率和高精度, 同时也需要高精度、低功耗的轴承作为系统支承件。由于液体静压推力轴承在工作时轴与轴瓦无直接接触, 处于全液体摩擦状态, 具有能耗低、工作寿命长、承载能力大、运行稳定等特点而成为重型立式车床的核心部件。静压推力轴承的变形问题对整个机床的工作可靠性和使用寿命具有重大的影响, 但是, 关于静压推力轴承变形问题的研究还比较薄弱。近年来, 国内外许多学者都对此作了研究, 马涛等^[1]研究了离心力和热变形对动静压推力轴承润滑性能的影响, 采用FLUENT软件计算了轴承的性能, 得出表面离心力和热变形对轴承性能有很大影响的结论, 研究时必须充分考虑。何春勇等^[2]研究了船用水润滑推力轴承的润滑性能, 计算出了温度场、压力分布、水膜厚度和推力瓦位移场的三维分布规律, 研究表明最大变形和最高温度都在周向出水口的位置。徐建宁等^[3]研究了止推滑动轴承的温度场和变形场, 研究表明, 轴承在井下工作的过程中, 由于其摩擦损耗特别大, 在常温设计时应该考虑到热变形对轴承间隙的影响。牛荣军等^[4]研究了粗糙表面塑性变形对静压推力轴承润滑性能的影响, 计算结果表明, 在塑性变形被考虑后, 接触的高压区油膜变小, 油膜压力在接触区域也显著变小, 油膜分布宽度增加。徐海波等^[5]研究了离心力和热变形对大型水轮机推力轴承润滑性能的影响, 采用等精度法处理计算了轴承的性能, 表明离心力和热变形对轴承性能有很大影响, 研究时必须充分考虑。赵明等^[6]的研究表明, 静压计算时必须考虑结构变形对油膜厚度的影响, 因此该计算问题为静压-结构耦合问题, 通常采用迭代方法求解。王建磊等^[7]对动静压轴承温度场和热变形进行了仿真分析。Hemmi等^[8]研究了温度和惯性力对静压推力轴承性能的影响, 对不同的承载位置和油膜厚度比时油膜的压力场进行了仿真, 与实验结果十分吻合。Novikov和Fazil^{[9, 10]}对圆形腔静压推力轴承的温度场和变形特性进行了优化分析, 将所得结果应用于实际生产中, 生产效率和操作精度有很大提高。一些学者也对静压推力轴承的温度场、变形场、以及变黏度和惯性力时的润滑特性进行了相关研究, 得出了一些有意义的研究成果^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]}。本文应用ANSYS软件, 在已算得油膜温度场的基础上, 对旋转工作台和底座的热变形进行了数值分析, 并进行了试验验证, 得到了一些具有指导实际生产意义的结论。

随着工作台转速的增加, 间隙油膜剪切发热, 会使油膜温度升高, 导致整体油膜温度分布不均匀, 使工作台和底座的热变形变得十分复杂, 所以对油膜温升的求解是模拟静压推力轴承变形场的关键。

2.2 油膜温升计算

假设全部功耗所转化的热量都用于升高油温, 则腔中油液流出封油面的温升为:

式中: 分别为液压油的比热和密度。

针对本文研究对象需要把剪切应力转换为平均剪切应力, 代入Q=5 L/min, ρ =880 kg/m³, C_p=1884 J/(kg· K), μ =0.0408 Pa· s, P_s=1 MPa, 所求结果如图1所示。

在层流状态下进行数值模拟, 将考虑离心力和散热时模拟温升与理论计算温升进行对比发现, 旋转速度在40 r/min以下时模拟温升值与理论温升值相差很小(见图4), 旋转速度在40 r/min以上时模拟温升值比理论温升值高0.4 ℃左右, 所以高速时必须考虑离心力和散热的影响。

图4

Fig.4

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	图4 油膜温升与转速的关系Fig.4 Relationship between temperature and rotational speed

为了验证理论计算结果的正确性, 在某工厂的加工半径为6300 mm的某型号立式车床上进行了热变形试验。热变形的测量采用千分表, 把千分表安装在固定支架上。当车床在某一测量转速达到热平衡时, 将千分表迅速调零, 开始测量, 直至其完全冷却后进行读数, 测量其热变形数值。试验装置及千分表安装位置如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 变形测量装置Fig.9 Experimental set-up of thermal deformation

为了使结果更精确, 对空载时10 r/min至80 r/min旋转工作台和底座的热变形进行了试验, 初始油膜厚度为0.11 mm, 得到了旋转工作台和底座的热变形, 工作台和底座的热变形试验曲线如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 10~80 r/min时的工作台和底座变形Fig.10 Thermal deformation of base and workbench from 10-80 r/min

对比图10与图8发现, 试验结果与理论计算结果基本一致, 转速越高热变形越大, 沿半径方向, 半径小处变形小, 半径大处变形大, 最大变形发生在工作台和底座径向外缘处。热变形后工作台和底座的形状均呈现“ 碗状” 。

(1)随着旋转工作台转速的增加, 工作台和底座的热变形呈上升趋势, 基本上为线性关系, 即随着旋转速度增大, 热变形相应增大。

(2)工作台的最大热变形发生在径向外缘的最下面, 底座的最大热变形则发生在径向外缘的最上面, 热变形后工作台和底座的形状均呈现“ 碗状” 。

(3)工作台和底座热变形共同作用导致油膜的实际形状呈现“ 喇叭状” , 沿半径方向, 半径小的开口小, 半径大的开口大, 最终得到了间隙油膜的预测模型。

(4)通过试验验证结果表明:理论值和试验值吻合较好, 说明了该理论研究方法的正确性。

(5)该研究为静压推力轴承散热结构的设计和变形问题的解决提供基础数据, 为研究静压推力轴承的变形机理打下基础。