工作介質(zhì)屬性對水基推力靜壓軸承剛度的影響*

黃 紅,賀俊杰

(1.懷來縣職業(yè)技術(shù)教育中心,河北 張家口 075400;2.北華航天工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

0 引 言

液體靜壓軸承是一種靠外部供給壓力油,在軸承內(nèi)建立靜壓承載油膜,以實現(xiàn)液體潤滑的滑動軸承。液體靜壓軸承從起動到停止始終在液體潤滑下工作,所以使用壽命長、起動功率小。此外,這種軸承還具有旋轉(zhuǎn)精度高、油膜剛度大、能抑制油膜振蕩等優(yōu)點,但需要專用油箱供給壓力油,高速時功耗較大。

目前,將液體靜壓軸承作為靜壓支承,用于機床主軸系統(tǒng)的情況日見增多,而其中的靜壓軸承是直接影響主軸回轉(zhuǎn)精度的重要部件。靜壓軸承系統(tǒng)通常采用潤滑油作為工作介質(zhì)。油基靜壓軸承具有很高的剛度。業(yè)內(nèi)人士為改善油基靜壓軸承的性能也做了大量的研究[1-4]。然而,在靜壓軸承系統(tǒng)中使用潤滑油容易污染環(huán)境,并且潤滑油溫度的升高還會影響到靜壓軸承系統(tǒng)的剛度。

采用純水作為工作介質(zhì)的水基靜壓軸承具有價格低廉、環(huán)境污染小的優(yōu)勢。然而,與油基靜壓軸承相比,水基靜壓軸承的剛度較低。

近期,不少業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)對改善靜壓軸承剛度進行了嘗試和研究。例如,CHEN D C等人[5]基于流體某一動壓軸承,研究了水和油的粘度差異對該動壓軸承剛度的影響。杜家磊等人[6]對渦輪泵流體靜壓軸承的剛度進行了試驗研究,分別采用水和液氮作為靜壓軸承的工作介質(zhì),對工作介質(zhì)屬性和軸承承載力的關(guān)系進行了計算、分析。張同鋼等人[7]研究了環(huán)境溫度的變化對水基流體動靜壓軸承的熱彈流影響。

但是,在目前的相關(guān)研究中,當(dāng)工作介質(zhì)為水時,還沒有人研究過水的屬性對水基靜壓軸承剛度的影響。

因此,筆者對水基推力靜壓軸承工作介質(zhì)的屬性與軸承剛度之間的關(guān)系進行研究;為此,構(gòu)建一套水基靜壓軸承剛度評估系統(tǒng),并通過改變水(工作介質(zhì))的成分和溫度,來考察靜壓軸承的性能。

1 靜壓軸承剛度評估裝置

為了研究工作介質(zhì)屬性對軸承剛度的影響,筆者構(gòu)建了一種水靜壓軸承剛度評估系統(tǒng)。

靜壓軸承剛度評估裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜壓軸承剛度評估裝置的結(jié)構(gòu)

圖1中,軸承外徑設(shè)置為40 mm,內(nèi)徑設(shè)置為20 mm,凹槽深度設(shè)置為5 mm。

此處的軸承尺寸是筆者參考油基靜壓軸承的相關(guān)研究結(jié)果[8,9]確定的,目的是可以將其與油基靜壓軸承的性能進行比較。

靜壓軸承墊的尺寸如圖2所示。

圖2 靜壓軸承墊的尺寸

筆者將長度為50 mm、間隙為0.2 mm、寬度為5 mm的狹縫節(jié)流[10,11]應(yīng)用于節(jié)流器。

此處評估裝置采用的節(jié)流器如圖3所示。

圖3 評估裝置采用的節(jié)流器

筆者使用梯形絲桿,將載荷施加到支撐臺上,并通過測力傳感器(TEAC,TT-FR-G-10KN)對此進行測量;采用2個電渦流位移傳感器(Keyence,EX-416V)對軸承的位移進行測量,2個渦流位移傳感器分別位于支撐臺兩側(cè)的上表面處。

靜壓軸承的剛度可以通過施加到支承臺上的實測載荷和軸承位移來計算。

從軸承流出的水則通過排水管返回到容器中。

靜壓軸承剛度評估裝置的設(shè)置如圖4所示。

圖4 靜壓軸承剛度評估裝置的設(shè)置

2 工作介質(zhì)及水溫控制系統(tǒng)

為了研究介質(zhì)屬性對水基靜壓軸承剛度的影響,筆者從兩個方面來改變工作介質(zhì)(水)的屬性,即水的成分和水的溫度。

首先,采用自來水和純水作為靜壓軸承的工作介質(zhì),考察工作介質(zhì)屬性對水基靜壓軸承剛度的影響。其中,純水由自來水通過離子交換樹脂制成;

其次,研究水溫對水基靜壓軸承剛度的影響,即在改變軸承所用水溫的情況下,對軸承的性能進行檢測。其中,水的溫度通過恒溫水浴(凡肯電子,KSC-5A)進行調(diào)節(jié)[12,13]。

水溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 水溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

水溫控制系統(tǒng)的設(shè)置如圖6所示。

圖6 水溫控制系統(tǒng)的設(shè)置

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

在試驗中,筆者將通過測量軸承的載荷和剛度來對軸承的性能進行評價。

試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件

在試驗過程中,筆者對自來水的成分進行定期水質(zhì)測試。

自來水的成分及其含量如表2所示。

表2 自來水的成分及其含量

筆者將工作介質(zhì)供給壓力設(shè)置為1.0 MPa和2.0 MPa,并在支承臺施加0 kN至0.7 kN的載荷,記錄下工作臺的載荷與支座位移之間的關(guān)系。

在靜壓軸承中,軸承剛度K的數(shù)學(xué)表達式如下[14-15]:

(1)

式中:F—載荷;h—軸承位移。

軸承位移與載荷之間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 軸承位移與載荷之間的關(guān)系

從圖7可以看出:軸承的位移越大,荷載越小;當(dāng)載荷小于或等于0.15 kN時,軸承位移與載荷的關(guān)系不再有明顯的變化。

3.2 介質(zhì)屬性對軸承剛度的影響

3.2.1 使用自來水和純水

為了研究水成分對軸承剛度的影響,筆者對使用自來水和純水作為工作介質(zhì)時的軸承剛度進行比較,即當(dāng)水溫設(shè)置為20 ℃時,分別在1.0 MPa和2.0 MPa供水壓力下進行軸承剛度的測試。

水壓為1.0 MPa,且水溫為20 ℃時軸承的剛度如圖8所示。

圖8 水壓為1.0 MPa且水溫為20 ℃時軸承剛度

水壓為2.0 MPa,且水溫為20 ℃時軸承的剛度如圖9所示。

圖9 水壓為2.0 MPa且水溫為20 ℃時軸承剛度

從圖8和圖9可以看出:(1)隨著軸承位移的不斷增加,兩種情況下的軸承剛度均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢;(2)當(dāng)軸承位移小于0.12 mm時,使用自來水的軸承剛度大于使用純水的軸承剛度;(3)當(dāng)軸承位移大于0.12 mm時,使用自來水的軸承剛度小于使用純水的軸承剛度。

該結(jié)果表明,通過改變水(工作介質(zhì))的屬性,可以提高靜壓軸承的剛度。

在離子交換式純水生產(chǎn)設(shè)備中,鈉離子(Na+)交換為氫離子(H+),氯離子(Cl-)交換為氫氧化物離子(OH-)。這些交換降低了自來水中的電導(dǎo)率和雜質(zhì),導(dǎo)致純凈水和自來水的電導(dǎo)率和氯離子含量不同。電導(dǎo)率和靜壓軸承剛度之間的關(guān)系尚不清楚。氯離子含量會影響水的運動粘度。

因此,筆者使用烏氏粘度計來測量自來水和純水在25 ℃時的運動粘度(純水和自來水的流動時間分別為272 s和275 s),即當(dāng)粘度計的常數(shù)為0.003 298 mm2/s2時,計算出純水和自來水的運動粘度分別為0.897 mm2/s和0.907 mm2/s,自來水的運動粘度比純水高約1.1%。

3.2.2 水溫對軸承剛度的影響

為了考察水溫變化對靜壓軸承剛度的影響,在這個實驗中,筆者將自來水用作靜壓軸承的工作介質(zhì)。

當(dāng)水壓為1.0 MPa時,自來水溫度與軸承剛度的關(guān)系如圖10所示。

圖10 水壓為1.0 MPa時自來水溫度與軸承剛度的關(guān)系

當(dāng)水壓為2.0 MPa時,自來水溫度與軸承剛度的關(guān)系如圖11所示。

圖11 水壓為2.0 MPa時自來水溫度與軸承剛度的關(guān)系

從圖10和圖11可以看出:當(dāng)自來水的溫度在20 ℃～40 ℃范圍內(nèi)時,靜壓軸承最大剛度隨水溫的提高而增加,并且在水溫為40 ℃時達到峰值,隨后其剛度開始下降。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因在于,當(dāng)水溫較高時,水中溶解的空氣減少,使軸承剛度有所提高(水溫為20 ℃時,空氣在水中的溶解度為0.019 cm3,水溫為40 ℃時,相應(yīng)的溶解度為0.014 cm3)。

水溫與空氣溶解度的關(guān)系如圖12所示。

圖12 水溫與空氣溶解度的關(guān)系

然而,在兩種水壓下,水溫為50 ℃時,靜壓軸承的剛度均低于水溫為40 ℃時的剛度。水溫為50 ℃時,軸承的剛度降低是由于自來水成分造成的。

3.2.3 純水溫度對軸承剛度的影響

在上節(jié)中,在50 ℃時觀察到軸承剛度下降現(xiàn)象。因此,在本節(jié)中需要研究純水作為工作介質(zhì)時,水的溫度對軸承剛度的影響。

當(dāng)水壓為1.0 MPa時,純水溫度與軸承剛度的關(guān)系如圖13所示。

圖13 水壓為1.0 MPa時純水溫度與軸承剛度的關(guān)系

當(dāng)水壓為2.0 MPa時,純水溫度與軸承剛度的關(guān)系如圖14所示。

圖14 水壓為2.0 MPa時純水溫度與軸承剛度的關(guān)系

從圖13和圖14可以看出:當(dāng)使用50 ℃的純水時,沒有觀察到最大軸承剛度下降的現(xiàn)象;相反,軸承的最大剛度隨著溫度的升高反而有所增加。

另外,對比上節(jié)的實驗結(jié)果可知:在50 ℃的溫度下,自來水基的軸承最大剛度下降是由于自來水所含成分造成的。

3.3 綜合結(jié)果分析

在水壓為1.0 MPa的情況下,介質(zhì)屬性與最大軸承剛度之間的關(guān)系如圖15所示。

圖15 水壓為1.0 MPa時介質(zhì)屬性與最大軸承剛度之間的關(guān)系

在水壓為2.0 MPa的情況下,介質(zhì)屬性與最大軸承剛度之間的關(guān)系如圖16所示。

圖16 水壓為2.0 MPa時介質(zhì)屬性與最大軸承剛度之間的關(guān)系

從圖15和圖16可以看出:在水溫為20 ℃～40 ℃的范圍內(nèi),使用自來水的軸承最大剛度高于使用純水的最大剛度;然而,當(dāng)水溫達到50 ℃時,使用自來水的軸承最大剛度有所降低,而使用純水的軸承最大剛度有所提高,且比使用自來水時高。

此外,筆者還研究了升溫引起的熱膨脹效應(yīng)。節(jié)流器受熱膨脹影響最大。試驗所用的節(jié)流器材料為Y1Cr18Ni9,熱膨脹系數(shù)為18.7×10-6K-1。

當(dāng)溫度從20 ℃升高至50 ℃時,由溫度升高引起的槽尺寸擴展分別為長28 μm、寬0.11 μm、高2.8 μm。此時,節(jié)流器常數(shù)為8.014×10-13m3,熱變形引起的節(jié)流器常數(shù)變化為0.18%。

雖然節(jié)流器常數(shù)的變化是由于熱變形引起的,但因為槽膨脹時剛度也同時增加了,所以該影響可以忽略不計。

因此,綜合以上結(jié)果可知,通過適當(dāng)調(diào)整水的成分和溫度,可以有效地改善水基靜壓軸承的剛度。

4 結(jié)束語

針對水基靜壓軸承存在剛度較低的問題,筆者對水基推力靜壓軸承工作介質(zhì)的屬性與軸承剛度之間的關(guān)系進行了研究,通過構(gòu)建了一種水基靜壓軸承剛度評估裝置,分別采用自來水和純水作為工作介質(zhì),考察了工作介質(zhì)屬性對水基靜壓軸承剛度的影響,最后對軸承的剛度進行了試驗,對軸承的性能進行了評價。

研究結(jié)論如下:

(1)隨著軸承位移的不斷增加,兩種情況下軸承剛度均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢;當(dāng)軸承位移小于0.12 mm時,使用自來水的剛度大于使用純水的剛度;當(dāng)軸承位移大于0.12 mm時,使用自來水的剛度小于使用純水的剛度;

(2)使用純水作為工作介質(zhì)時,在20 ℃～50 ℃范圍內(nèi),軸承最大剛度隨水溫的升高而增加;

(3)使用自來水作為工作介質(zhì)時,在20 ℃～40 ℃范圍內(nèi),軸承最大剛度隨水溫的提高而增加,并在水溫40 ℃時達到峰值,隨后開始下降;在水溫20 ℃～40 ℃的范圍內(nèi),使用自來水的軸承最大剛度高于使用純水的剛度。

上述結(jié)果表明:適當(dāng)調(diào)整水的成分和溫度可以有效改善水基靜壓軸承的剛度。

在后續(xù)的研究中,筆者將分析每種工作介質(zhì)性質(zhì)對軸承剛度的具體影響,并研究軸承結(jié)構(gòu)與工作介質(zhì)性質(zhì)之間的匹配性,以便進一步改善靜壓軸承的性能。