[发明专利]一种计算液体球轴承最大油膜承载能力的方法

说明书

根据本发明的计算液体球轴承最大油膜承载能力的方法，包括以下步骤：1，建立油膜压力计算模型；2，建立液体润滑油膜压力计算模型在球坐标系的差分表达式；3，计算轴承的油膜厚度；4，设定初始压力值，计算油膜压力；5，将油膜压力沿直角坐标系下三个方向分解；6，对油膜圆周方向和径向方向压力积分，分别得到圆周x、y、z方向的承载能力；7，对承载能力公式无量纲化，得到无量纲承载力；8，对无量纲承载力公式进行积分，得到轴承的承载能力；9，对轴承多个设计参数进行变换，得到对轴承轴向承载能力和径向承载能力的影响的多个实验数据；10，对上述实验数据进行研判，得到油膜最大承载能力时各影响因素的具体参数。

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种计算液体球轴承最大油膜承载能力的方法。

背景技术

超高精度机床和材料并称为“工业之母”，精密超精密加工技术和装备是尖端产品和国防工业在国际争中的关键技术之一。微米纳米级超精密装备，其主要关键是旋转部件，即具有超精密主轴回转轴系的机床头架才能测量和加工出超精密零件。超精密主轴要求达到的高刚度、极高的回转精度、转动平稳、无振动，其关键在于所用的精密轴承。双半球流体静动压滑动轴承是实现高精度轴承和主轴最理想的高端滑动轴承，目前，精密设备中只见有双半球气体静压滑动轴承的应用，有较大进展的相关理论研究很少。

液体球轴承不仅能够同时支承轴向和径向载荷，而且便于定心，同时具有高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等性能优势，所以在中高速精密机床领域获得广泛应用。

液体球轴承由转子(凸球)和定子(凹球)两部分组成，定子上有一定数量的油孔。一方面，通过油泵输出一定压力的油液，经过节流器，流入轴承间隙形成静压油膜并形成静压承载能力。另一方面，通过轴承表面之间的高速运转，转子和定子之间形成楔形油，产生动压油膜并形成动压承载能力。

期刊《数控车床的液体动静压轴承油膜压力特性》采用流体动力学软件求解轴承油膜仿真模型，获得轴承油膜压力分布，以及在不同供油压力和主轴转速情况下油膜压力变化规律。该期刊只讨论了影响油膜压力的两个因素，诸如平均油膜间隙、偏心率以及供油孔数目等对于油膜压力也有一定的影响。目前大部分期刊论文只讨论了部分影响因素对轴承承载能力的影响规律，并没有系统的研究各因素之间的交叉耦合影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明在计算轴承的承载能力基础之上，通过改变主轴转速、供油压的大小、平均油膜间隙、偏心率以及供油孔数目对轴承承载能力的耦合影响，设计出液体球轴承最大承载能力的最佳设计参数组合。

本发明提供了一种计算液体球轴承最大油膜承载能力的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，根据液体球轴承几何模型以及液体润滑原理建立油膜压力计算模型：

式中：H表示无量纲油膜厚度；表示无量纲油膜压力；w表示转速；η表示液体粘滞系数；P_a表示大气压强；h₀表示油膜间隙；R表示轴承半径；

步骤2，建立液体润滑油膜压力计算模型在球坐标系的差分表达式：

步骤3，根据轴承参数以及边界条件，计算轴承的油膜厚度；

步骤4，设定初始压力值，通过液体润滑油膜压力计算模型，计算油膜压力；

步骤5，将步骤4中的油膜压力沿直角坐标系下x，y以及z三个方向分解得到P_x，P_y以及P_z，

步骤6，采用辛普森积分法对油膜圆周方向和径向方向压力积分，分别得到圆周x方向的承载能力、沿圆周y方向的承载能力以及沿径向z方向的承载能力，