[发明专利]一种液体球轴承的稳态承载能力的计算方法

说明书

根据本发明的液体球轴承的稳态承载能力的计算方法，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。由于本发明的液体球轴承的稳态承载能力的计算方法是基于三维轴系，因此，得到的液体球轴承的稳态承载力结果能够更好的反映出真实情况，能更好的为液体球轴承的结构设计提供理论指导。

技术领域

本发明属于机械领域，具体涉及一种液体球轴承的稳态承载能力的计算方法。

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。

液体球轴承是超精密和重型机床的重要组件，它不仅能同时承受轴向和径向载荷，而且便于对中。这些轴承具有旋转精度高、动刚度高、振动阻尼高、使用寿命长的性能优势。液体球轴承可以降低传统混合轴承低速时的轴承磨损。

球形液体轴承由转子(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。

形液体轴承在支承主轴的旋转过程中由于重力和旋转离心力的存在，使得油膜厚度分布不均匀，因此导致了油膜压力分布不均匀，进而对轴承的承载能力有较大影响。在设计生产制造前需要对其建立合适的计算模型。目前学者在学术期刊上研究主要集中在气体球轴承上，而气体的可压缩性，使得气体球轴承刚度较低，承载能力较差，同时气体轴承和液体轴承所考虑的设计策略以及技术方案上有较大的差异性，使得液体球轴承油膜承载能力与气体球轴承的承载能力具有很大不同。

期刊论文《半球面气体轴承稳态承载力分析》同样采样建立气体润滑雷诺方程求得气膜压力，在建立气体润滑方程由于气体可压缩性，气体密度随着压力以及温度的变化而改变，而液体的密度近似定值，即液体密度随温度和压力的变化几乎不变化，所以液体润滑雷诺方程和气体润滑雷诺方程存在差异性；在计算球轴承承载能力时，液体球轴承的承载能力比气体球轴承承载能力大得多，在计算方法上也因球轴承的三维模型的不同而具有微小差异。在上述论文只讨论了轴承径向承载能力，并没有计算轴向承载能力。

发明内容

为了解决液体球轴承油膜承载能力问题，本发明通过在建立球轴承的三维几何模型以及建立球轴承液体润滑雷诺方程基础之上，在给定一定压力和主轴转速下，计算出了液体球轴承三个的方向承载能力。

本发明提供了一种液体球轴承的稳态承载能力的计算方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

步骤1，建立液体动静压球轴承的润滑方程，表达式为：

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：

大气边界条件：

通过节流孔注入一定压力的液体，静压边界条件：

式中:n为节流孔个数，选择数量为偶数个,