引 言
現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展對機(jī)床切削速度和精度要求越來越高。適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)主軸的動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，動(dòng)態(tài)性能的影響較大，一是動(dòng)壓滑動(dòng)軸承對主軸系統(tǒng)提供足夠的阻尼，保證主軸穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；二是軸承彈性使主軸的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速比滾動(dòng)軸承減小，且產(chǎn)生交叉剛度是促使系統(tǒng)失穩(wěn)的主要因素之一。因此，動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)性能分析計(jì)算，對設(shè)計(jì)具有良好動(dòng)態(tài)性能的機(jī)床主軸系統(tǒng)是非常必要的。
1 機(jī)床主軸動(dòng)壓滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)原理
動(dòng)壓滑動(dòng)軸承按潤滑劑不同，分為液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承和氣體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承，機(jī)床主軸常用的是多油楔液體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承。
動(dòng)壓滑動(dòng)軸承是靠主軸以足夠高的角速度ω旋轉(zhuǎn)，將一定粘度的潤滑劑帶入收斂的多油楔中，形成壓力油膜承受載荷。油膜厚度取決于油楔形狀，油楔形狀是在軸瓦內(nèi)壁上加工出曲線油槽，固定瓦有阿基米德曲線油槽(圖1(a))，有偏心園弧曲線油槽(圖1(b))，活動(dòng)瓦塊撓支點(diǎn)B擺動(dòng)能自動(dòng)調(diào)整間隙，形成油楔(圖1(c)).潤滑劑在收斂的楔形間隙中流動(dòng)，由于油層間的剪切應(yīng)力作用，產(chǎn)生流體動(dòng)力，使相對運(yùn)動(dòng)的兩表面被油膜隔離，形成純液體摩擦。
動(dòng)壓滑動(dòng)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，抗振阻尼好，噪聲小，主軸系統(tǒng)強(qiáng)度和剛度大，軸承可靠性和承載能力高等特點(diǎn)。因此動(dòng)壓滑動(dòng)軸承廣泛應(yīng)用于機(jī)床主軸和其他行業(yè)的機(jī)器設(shè)備中。
2 動(dòng)壓滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)工作狀況分析
圖2是機(jī)床主軸應(yīng)用的固定三油楔動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的原理圖。在軸頸上作用外載荷F，使軸頸中心O產(chǎn)生偏離至Oj，偏離位置常用偏心率ε和偏位角θ表示：Oj(θε)，其中，ε=e/h0，e——偏心距，h0——軸承與軸頸的半徑間隙，h0=Rr。
圖2
若外載荷F是不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定載荷，則軸頸中心Oj在軸承中的位置是不變的，并處于某一偏心率ε和偏位角θ上，而軸承油膜力P施加給軸頸與外載荷F相平衡，這一位置Oj(ε、θ)稱為靜平衡位置。
若軸頸在靜平衡位置受到撓動(dòng)(如切削材料硬度不均勻或主軸重量不平衡產(chǎn)生離心力等)時(shí)，軸頸中心Ojo(下角標(biāo)“o”表示靜平衡位置上的值，下同)將在靜平衡位置作微小位移如圖3，軸頸中心Ojo位移到Od，Od為瞬時(shí)中心，用Δx和Δy表示，Od偏離Ojo的距離，稱為動(dòng)態(tài)位移，Od為軸頸的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)中心。
圖3
將油膜力在靜平衡位置對Δx和Δy動(dòng)態(tài)位移作泰勒(Taylor)展開，并略去無窮小量，則位移后的油膜力為：
式中：Px、Py——軸頸中心位移后的油膜力；Pxj、Pyj——靜平衡位置的油膜力。由式(1)定義八個(gè)系數(shù)為
式中：Kij——軸承剛度系數(shù)，i.j=x.y
Cij——軸承的阻尼系數(shù)，i.j=x.y；
Kij·Cij——統(tǒng)稱為軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)。
由上可知，滑動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)是靜平衡位置的函數(shù)，即是偏心率ε和偏離角θ的函數(shù)。
動(dòng)態(tài)位移相對靜平衡位置的油膜力和增量在水平方向和垂直方向的分量為：
ΔPx=Px-Pxj
ΔPy=Py-Pyj (3)
由式(1)和式(2)得
(4)式中是多油楔動(dòng)壓滑動(dòng)軸承中任一油楔油膜力增量表達(dá)式。式中下角標(biāo)“i”表示任一固定油楔。
設(shè)固定瓦中共有S個(gè)油楔，則軸承油膜力的增量為：
式中：
式(5)、式(6)分別為多油楔動(dòng)壓滑軸承油膜力增量和動(dòng)態(tài)特性系數(shù)表達(dá)式。
3 動(dòng)壓滑動(dòng)軸承動(dòng)特性系數(shù)
圖4
由圖4可以看出作用在軸頸上的油膜力沿OA和OB方向的分量為
式中，P—靜平衡位置的油膜力(N/m2)，可由靜態(tài)平衡方程解得。
油膜力合力為：
在靜平衡位置上油膜力P與外載荷F平衡，PA、PB、F
圖5
三者形成封閉關(guān)系圖5所示
tgθ=PA/PB (9)
動(dòng)態(tài)特性系數(shù)類似式(2)，定義極坐標(biāo)系A(chǔ)OB為：
油膜力增量在極坐標(biāo)AOB下可表示為：
結(jié) 論
1.動(dòng)壓滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特征系數(shù)是靜態(tài)位置的函數(shù)，即是偏心率ε和偏位角θ的函數(shù)。
2.交叉剛度是激發(fā)系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素之一，當(dāng)外部阻尼為零時(shí)，系統(tǒng)有一個(gè)特征值實(shí)部大于零，故交叉剛度激發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)。
3.保證主軸軸承系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是系統(tǒng)的所有特征值必須小于零。
