基于液压伺服控制的动静压轴承设计理论研究

manjia_tju

随着现代机械设备向大型化、高速、高精度、重载等方向发展，液体润滑动
静压轴承得到越来越广泛的应用。动静压轴承在其静压油腔的进油路上采用节流
器作为调节元件，节流器对动静压轴承的静、动态性能起着重要的作用。为了解
决传统节流方式中固定节流器承载性能及油膜刚性差、可变节流器的动态特性较
差等问题，本文创新性地提出了一种新型节流方式的动静压轴承——基于液压伺
服控制的动静压轴承，该轴承采用液压伺服控制方式实现了节流方式由固定节流
或可变节流到按需可控节流的转变。本文的研究成果及主要内容如下：
①分析了液压伺服控制动静压轴承系统的组成及工作原理，建立了轴承力学
性能的雷诺方程；采用有限差分法对不同节流方式下的静压、动静压轴承的静态
性能进行了求解，采用MATLAB软件计算轴承油膜压力场；建立动静压轴承的静
态性能解析法模型，实现了解析计算；采用FLUENT软件求解轴承的静态性能；
对上述三种方法的求解进行了对比分析。实例证明，三种方法均能有效求解轴承
的压力场及静态特性，三油腔动静压轴承和三油腔阶梯动静压轴承相比于四油腔
静压轴承具有较高的承载能力和油膜刚性，液压伺服控制的动静压轴承具有较高
的油膜刚性和承载能力。
②建立了动静压轴承温度场的数学模型，对能量方程进行离散及迭代计算，
分别采用数值计算法和流体力学分析软件FLUENT求解几种结构形式的动静压轴
承的温度场分布。实例结果表明：两种方法计算出来的结果接近，比较符合实际
运行工况。
③阐述了动静压轴承油膜刚度和油膜阻尼形成的机理，提出了8个动力特性
系数，探讨了动力特性系数的求解方法——有限差分法和作图解析法，有效地求
解了不同节流方式下和不同腔形结构的静压、动静压轴承动力特性系数。实例结
果表明：两种方法计算结果比较接近；三油腔阶梯动静压轴承具有较高的油膜刚
度和阻尼系数，能大大提高轴承的运行性能。此外，还分析了轴承主轴在受到外
界扰动时轴心运动轨迹的数学模型，推导了动载作用下主轴轴心轨迹的运动方程
实例计算表明：当主轴在恒定载荷作用下受到外界干扰时，在干扰消除后，轴心
按一定轨迹回到原有初始平衡位置。
④研究静压轴承节流机理，建立了毛细管、小孔、薄膜反馈、滑阀反馈节流
方式下静压轴承的承载性能及油膜刚度解析式，并通过实验验证上述节流方式下
轴承的承载能力及油膜刚性。提出了采用流量平衡方程法和线性化法推导上述四
种节流方式下轴承的动态特性传递函数，得到动态特性方块图，实现动态仿真。仿真结果表明：固定节流方式下轴承的动态性能较好，而可变节流方式下轴承的
动态响应速度偏慢、动态超调量偏大。
⑤分析研究液压伺服控制动静压轴承的动态特性。首先从分析单自由度液压
伺服控制的静压轴承入手，建立了相应的动态特性数学模型；其次，采用线性化
法和动力特性系数相结合的方法推导两自由度液压伺服控制的动静压轴承动态特
性方块图。在此基础上，探索前后径向轴承、主轴等多自由度交叉耦合的主轴转
子系统动态特性传递函数的分析求解方法，实现了一系列的仿真分析。仿真结果
表明：液压伺服控制的静压、动静压轴承具有较为理想的动态特性。
本文开展的液压伺服控制动静压轴承设计理论中的研究方法和研究成果，对
于开发适用于高速、高精度、重载等领域的新型动静压轴承提供了重要的参考及
理论价值，是液体润滑轴承理论创新的一次探索，对于轴承设计理论将产生重要
的推动作用。
关键词：动静压轴承，液压伺服控制，节流，动态特性