第2章 高速精密轧辊磨床动静压轴承的设计及参数计算
2.1 高速精密轧辊磨床动静压轴承的结构设计方案
图1-5所示的“三静一动”型动静压轴承目前广泛应用于国产轧辊磨床上，该轴承的三个静压腔是人工加工出来的，一个动压腔是在运行过程中因磨削力和重力共同作用而自然形成的。此种类型的动静压轴承已被验证只能应用于砂轮线速度为45m/s以下的工况，即只能应用于普通磨削领域，一旦超出此领域，极易发生抱轴和烧轴的现象。为了研发出能应用于砂轮线速度45m/s以上的高速精密轧辊磨床的动静压轴承，应突破此轴承的结构局限。为此，参考国外进口高速精密轧辊磨床动静压轴承的结构并根据高速精密轧辊磨床上液体动静压轴承的运行特点，设计出了一种可调式动静压轴承的结构方案，如图2-1所示。
如图2-1所示，该轴承采用了轴承本体4和轴承套3相配合的结构方案，其中，轴承本体4的三维结构如图2-2所示，轴承套3的三维结构如图2-3所示。轴承本体4上设计有四个矩形肋板和四个锥度为15°的锥形肋板，其中，四个锥形肋板与同锥度的轴承套3过盈配合，在配合过程中，通过轴承套3的挤压，轴承本体4在四个锥形肋板处便会发生变形，从而在轴承内壁与主轴间强制形成了八个楔形动压腔。
图2-1 高速精密轧辊磨床动静压轴承的结构
1—前调节盖2—前调节推板3—轴承套4—轴承本体5—后调节推板6—密封圈7—后调节盖
图2-2 动静压轴承的轴承本体
图2-3 动静压轴承的轴承套
为了使该轴承可根据不同的转速和载荷情况来调节运行情况，采用了调节机构来调节轴承本体与轴承套锥度配合的面积。如图2-1所示，该调节机构主要由前调节盖1、前调节推板2、后调节盖7和后调节推板5组成，当同时向左拧动前调节盖1和后调节盖7时，强迫后调节推板5向左移动，从而推动轴承本体4和前调节推板2均向左移动，加强了轴承本体4和轴承套3之间的锥形配合程度，使轴承本体4的凹陷变形量加大，改变了动压腔的形状，增加了其面积；当要减小轴承本体4的凹陷变形量时，向相反的方向拧动前调节盖1和后调节盖7即可。为了防止润滑油液泄漏，在前调节推板2和后调节推板5分别设计有密封圈6。
如图2-2所示，该轴承共有4个静压腔，分别开在轴承本体上与4个肋板对应的内壁位置，并且在每个静压腔之间开设有一条导油槽。当轴承刚开始工作时，在4个静压腔润滑油的压力作用下，主轴浮在轴承中间；随着主轴转速的提高，8个楔形动压腔的动压效应便凸显出来了，此时，在静压效应和动压效应的共同作用下，轴承抵抗外负载。由此可见，该轴承属于动静压联合效应轴承，其4个静压腔是人工主动加工出来的，而其8个楔形动压腔是在装配过程中强制挤压形成的。相较于图1-5所示的“三静一动”型动静压轴承，这种强制挤压形成的8个楔形动压腔突破了其依靠磨削力和重力而形成动压腔的结构，而且此8个楔形动压腔具有油膜均化作用强、散热性能好以及油膜刚度好等优点。
为了显示出该高速精密轧辊磨床动静压轴承的装配效果，设计出了其三维装配图，如图2-4所示。为了更清晰地显示该轴承的各部分结构，特给出了其三维装配展开图，如图2-5所示。
根据国内企业研发高速精密轧辊磨床结构尺寸的总体要求，图2-5所示的动静压轴承的主要结构尺寸要求为：轴承本体的内径 D=100mm，轴承套外径D0=200mm，轴承装配后总长度L0≤220mm。基于此动静压轴承的这些基本结构尺寸的要求，该轴承的其余结构尺寸需要进行设计和计算，下面对直接决定该轴承性能的油腔及导油槽等关键部位进行设计，并对其一些主要的结构和工作参数进行计算。
图2-4 高速精密轧辊磨床动静压轴承的三维装配图
图2-5 高速精密轧辊磨床动静压轴承的三维装配展开图
1—前调节盖2—前调节推板3—轴承过油孔4—轴承本体5—轴承套外螺纹6—轴承套7—密封圈槽8—后调节盖内螺纹9—后调节盖10—后调节推板11—轴承套回油孔12—轴承套进油孔13—轴承进油孔14—轴承静压腔15—前调节推板回油孔