工作介质属性对水基推力静压轴承刚度的影响*

黄 红,贺俊杰

(1.怀来县职业技术教育中心,河北 张家口 075400;2.北华航天工业学院 机电工程学院,河北 廊坊 065000)

0 引 言

液体静压轴承是一种靠外部供给压力油,在轴承内建立静压承载油膜,以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作,所以使用寿命长、起动功率小。此外,这种轴承还具有旋转精度高、油膜刚度大、能抑制油膜振荡等优点,但需要专用油箱供给压力油,高速时功耗较大。

目前,将液体静压轴承作为静压支承,用于机床主轴系统的情况日见增多,而其中的静压轴承是直接影响主轴回转精度的重要部件。静压轴承系统通常采用润滑油作为工作介质。油基静压轴承具有很高的刚度。业内人士为改善油基静压轴承的性能也做了大量的研究[1-4]。然而,在静压轴承系统中使用润滑油容易污染环境,并且润滑油温度的升高还会影响到静压轴承系统的刚度。

采用纯水作为工作介质的水基静压轴承具有价格低廉、环境污染小的优势。然而,与油基静压轴承相比,水基静压轴承的刚度较低。

近期,不少业内人士已经对改善静压轴承刚度进行了尝试和研究。例如,CHEN D C等人[5]基于流体某一动压轴承,研究了水和油的粘度差异对该动压轴承刚度的影响。杜家磊等人[6]对涡轮泵流体静压轴承的刚度进行了试验研究,分别采用水和液氮作为静压轴承的工作介质,对工作介质属性和轴承承载力的关系进行了计算、分析。张同钢等人[7]研究了环境温度的变化对水基流体动静压轴承的热弹流影响。

但是,在目前的相关研究中,当工作介质为水时,还没有人研究过水的属性对水基静压轴承刚度的影响。

因此,笔者对水基推力静压轴承工作介质的属性与轴承刚度之间的关系进行研究;为此,构建一套水基静压轴承刚度评估系统,并通过改变水(工作介质)的成分和温度,来考察静压轴承的性能。

1 静压轴承刚度评估装置

为了研究工作介质属性对轴承刚度的影响,笔者构建了一种水静压轴承刚度评估系统。

静压轴承刚度评估装置的结构如图1所示。

图1 静压轴承刚度评估装置的结构

图1中,轴承外径设置为40 mm,内径设置为20 mm,凹槽深度设置为5 mm。

此处的轴承尺寸是笔者参考油基静压轴承的相关研究结果[8,9]确定的,目的是可以将其与油基静压轴承的性能进行比较。

静压轴承垫的尺寸如图2所示。

图2 静压轴承垫的尺寸

笔者将长度为50 mm、间隙为0.2 mm、宽度为5 mm的狭缝节流[10,11]应用于节流器。

此处评估装置采用的节流器如图3所示。

图3 评估装置采用的节流器

笔者使用梯形丝杆,将载荷施加到支撑台上,并通过测力传感器(TEAC,TT-FR-G-10KN)对此进行测量;采用2个电涡流位移传感器(Keyence,EX-416V)对轴承的位移进行测量,2个涡流位移传感器分别位于支撑台两侧的上表面处。

静压轴承的刚度可以通过施加到支承台上的实测载荷和轴承位移来计算。

从轴承流出的水则通过排水管返回到容器中。

静压轴承刚度评估装置的设置如图4所示。

图4 静压轴承刚度评估装置的设置

2 工作介质及水温控制系统

为了研究介质属性对水基静压轴承刚度的影响,笔者从两个方面来改变工作介质(水)的属性,即水的成分和水的温度。

首先,采用自来水和纯水作为静压轴承的工作介质,考察工作介质属性对水基静压轴承刚度的影响。其中,纯水由自来水通过离子交换树脂制成;

其次,研究水温对水基静压轴承刚度的影响,即在改变轴承所用水温的情况下,对轴承的性能进行检测。其中,水的温度通过恒温水浴(凡肯电子,KSC-5A)进行调节[12,13]。

水温控制系统的结构如图5所示。

图5 水温控制系统的结构

水温控制系统的设置如图6所示。

图6 水温控制系统的设置

3 试验与结果分析

3.1 试验条件

在试验中,笔者将通过测量轴承的载荷和刚度来对轴承的性能进行评价。

试验条件如表1所示。

表1 试验条件

在试验过程中,笔者对自来水的成分进行定期水质测试。

自来水的成分及其含量如表2所示。

表2 自来水的成分及其含量

笔者将工作介质供给压力设置为1.0 MPa和2.0 MPa,并在支承台施加0 kN至0.7 kN的载荷,记录下工作台的载荷与支座位移之间的关系。

在静压轴承中,轴承刚度K的数学表达式如下[14-15]:

(1)

式中:F—载荷;h—轴承位移。

轴承位移与载荷之间的关系如图7所示。

图7 轴承位移与载荷之间的关系

从图7可以看出:轴承的位移越大,荷载越小;当载荷小于或等于0.15 kN时,轴承位移与载荷的关系不再有明显的变化。

3.2 介质属性对轴承刚度的影响

3.2.1 使用自来水和纯水

为了研究水成分对轴承刚度的影响,笔者对使用自来水和纯水作为工作介质时的轴承刚度进行比较,即当水温设置为20 ℃时,分别在1.0 MPa和2.0 MPa供水压力下进行轴承刚度的测试。

水压为1.0 MPa,且水温为20 ℃时轴承的刚度如图8所示。

图8 水压为1.0 MPa且水温为20 ℃时轴承刚度

水压为2.0 MPa,且水温为20 ℃时轴承的刚度如图9所示。

图9 水压为2.0 MPa且水温为20 ℃时轴承刚度

从图8和图9可以看出:(1)随着轴承位移的不断增加,两种情况下的轴承刚度均呈现出先升后降的趋势;(2)当轴承位移小于0.12 mm时,使用自来水的轴承刚度大于使用纯水的轴承刚度;(3)当轴承位移大于0.12 mm时,使用自来水的轴承刚度小于使用纯水的轴承刚度。

该结果表明,通过改变水(工作介质)的属性,可以提高静压轴承的刚度。

在离子交换式纯水生产设备中,钠离子(Na+)交换为氢离子(H+),氯离子(Cl-)交换为氢氧化物离子(OH-)。这些交换降低了自来水中的电导率和杂质,导致纯净水和自来水的电导率和氯离子含量不同。电导率和静压轴承刚度之间的关系尚不清楚。氯离子含量会影响水的运动粘度。

因此,笔者使用乌氏粘度计来测量自来水和纯水在25 ℃时的运动粘度(纯水和自来水的流动时间分别为272 s和275 s),即当粘度计的常数为0.003 298 mm2/s2时,计算出纯水和自来水的运动粘度分别为0.897 mm2/s和0.907 mm2/s,自来水的运动粘度比纯水高约1.1%。

3.2.2 水温对轴承刚度的影响

为了考察水温变化对静压轴承刚度的影响,在这个实验中,笔者将自来水用作静压轴承的工作介质。

当水压为1.0 MPa时,自来水温度与轴承刚度的关系如图10所示。

图10 水压为1.0 MPa时自来水温度与轴承刚度的关系

当水压为2.0 MPa时,自来水温度与轴承刚度的关系如图11所示。

图11 水压为2.0 MPa时自来水温度与轴承刚度的关系

从图10和图11可以看出:当自来水的温度在20 ℃～40 ℃范围内时,静压轴承最大刚度随水温的提高而增加,并且在水温为40 ℃时达到峰值,随后其刚度开始下降。

产生以上现象的原因在于,当水温较高时,水中溶解的空气减少,使轴承刚度有所提高(水温为20 ℃时,空气在水中的溶解度为0.019 cm3,水温为40 ℃时,相应的溶解度为0.014 cm3)。

水温与空气溶解度的关系如图12所示。

图12 水温与空气溶解度的关系

然而,在两种水压下,水温为50 ℃时,静压轴承的刚度均低于水温为40 ℃时的刚度。水温为50 ℃时,轴承的刚度降低是由于自来水成分造成的。

3.2.3 纯水温度对轴承刚度的影响

在上节中,在50 ℃时观察到轴承刚度下降现象。因此,在本节中需要研究纯水作为工作介质时,水的温度对轴承刚度的影响。

当水压为1.0 MPa时,纯水温度与轴承刚度的关系如图13所示。

图13 水压为1.0 MPa时纯水温度与轴承刚度的关系

当水压为2.0 MPa时,纯水温度与轴承刚度的关系如图14所示。

图14 水压为2.0 MPa时纯水温度与轴承刚度的关系

从图13和图14可以看出:当使用50 ℃的纯水时,没有观察到最大轴承刚度下降的现象;相反,轴承的最大刚度随着温度的升高反而有所增加。

另外,对比上节的实验结果可知:在50 ℃的温度下,自来水基的轴承最大刚度下降是由于自来水所含成分造成的。

3.3 综合结果分析

在水压为1.0 MPa的情况下,介质属性与最大轴承刚度之间的关系如图15所示。

图15 水压为1.0 MPa时介质属性与最大轴承刚度之间的关系

在水压为2.0 MPa的情况下,介质属性与最大轴承刚度之间的关系如图16所示。

图16 水压为2.0 MPa时介质属性与最大轴承刚度之间的关系

从图15和图16可以看出:在水温为20 ℃～40 ℃的范围内,使用自来水的轴承最大刚度高于使用纯水的最大刚度;然而,当水温达到50 ℃时,使用自来水的轴承最大刚度有所降低,而使用纯水的轴承最大刚度有所提高,且比使用自来水时高。

此外,笔者还研究了升温引起的热膨胀效应。节流器受热膨胀影响最大。试验所用的节流器材料为Y1Cr18Ni9,热膨胀系数为18.7×10-6K-1。

当温度从20 ℃升高至50 ℃时,由温度升高引起的槽尺寸扩展分别为长28 μm、宽0.11 μm、高2.8 μm。此时,节流器常数为8.014×10-13m3,热变形引起的节流器常数变化为0.18%。

虽然节流器常数的变化是由于热变形引起的,但因为槽膨胀时刚度也同时增加了,所以该影响可以忽略不计。

因此,综合以上结果可知,通过适当调整水的成分和温度,可以有效地改善水基静压轴承的刚度。

4 结束语

针对水基静压轴承存在刚度较低的问题,笔者对水基推力静压轴承工作介质的属性与轴承刚度之间的关系进行了研究,通过构建了一种水基静压轴承刚度评估装置,分别采用自来水和纯水作为工作介质,考察了工作介质属性对水基静压轴承刚度的影响,最后对轴承的刚度进行了试验,对轴承的性能进行了评价。

研究结论如下:

(1)随着轴承位移的不断增加,两种情况下轴承刚度均呈现出先升后降的趋势;当轴承位移小于0.12 mm时,使用自来水的刚度大于使用纯水的刚度;当轴承位移大于0.12 mm时,使用自来水的刚度小于使用纯水的刚度;

(2)使用纯水作为工作介质时,在20 ℃～50 ℃范围内,轴承最大刚度随水温的升高而增加;

(3)使用自来水作为工作介质时,在20 ℃～40 ℃范围内,轴承最大刚度随水温的提高而增加,并在水温40 ℃时达到峰值,随后开始下降;在水温20 ℃～40 ℃的范围内,使用自来水的轴承最大刚度高于使用纯水的刚度。

上述结果表明:适当调整水的成分和温度可以有效改善水基静压轴承的刚度。

在后续的研究中,笔者将分析每种工作介质性质对轴承刚度的具体影响,并研究轴承结构与工作介质性质之间的匹配性,以便进一步改善静压轴承的性能。