第三节 液体静压轴承的维修

液体静压轴承是靠外部供给液压油，强使两相对滑动面分开以建立承载油膜,实现液体润滑的一种滑动轴承。液体静压轴承的优点是：①速度极低甚至为零时也能在液体润滑下起动，起动功率极小；②能始终处于液体润滑下工作，正常工作状态下使用不会磨损，寿命长；③运动件在液压油包围下工作，运动精度高，刚度大，阻尼性好，抗振性好；④对轴承材料无特殊要求。

液体静压轴承的缺点是：①需要一套专门的供油系统；②对油的清洁度要求高，要经过严格的过滤。

一、液体静压轴承的工作原理

图1-15所示为静压轴承工作原理。为了更明了地说明其工作原理，我们建立一个数学模型。设油泵输出压力为p_s（节流器的输入压力），静压轴承油腔中的压力为p_b（节流器的输出压力），节流器的液阻为R₁,从轴承油腔经缝隙流入油箱的液阻为R_b，经节流器的流量为Q，由流量连续的原理可知，经缝隙的流量也应为Q，假设节流器为毛细管，则通过节流器的流量与节流器两端的压力差成正比，与液阻成反比，即

经整理，得

这就是油腔压力表达式。此式并没有更加具体地计算出油腔的压力，而是表明油腔中的压力与节流器液阻、缝隙液阻、供油压力之间的关系。

油腔的设计是对称布置的，如两个油腔上下对称或左右对称。下面仍以毛细管节流为例，用公式说明其静压轴承工作原理。在图1-15中，假设主轴受向下的外载为W，主轴向下产生一位移，上腔记为1号腔，下腔记为2号腔，则R_b2增大，R_b1减小。

由于R_b2的增大，R_b1的减小，所以p_b1＜p_b,p_b2＞p_b,因此p_b2>p_b1，也就是说上下油腔中的压力产生一差值，从而抵抗外载W，油膜建立起足够的刚度。

如果没有节流器，即R₀=0，此时p_b2=p_b1=p_s，上下油腔没有压力差，因而没有承载能力。节流器在这里起着关键作用，只有节流器，当轴承受到载荷时，方能形成相对油腔的压力差，所以节流器又称补偿元件。

二、静压轴承补偿元件的分类（见表1-2）

1.毛细管（或缝隙）节流器

这种节流器通常用细铜管制成，如果管子孔径为d，长度为l，当且d较小时，就称为毛细管。通过毛细管的流量Q的计算公式为

式中 Q——通过节流器的流量;

K_q——流量系数,;

p_s——输入口的压力;

p_b——油腔压力（输出口压力）;

μ——油的黏度。

要注意的是：

1）为避免堵塞，d≥0.55mm。

2）为保证层流，。

3）非圆形毛细管时，d为当量直径，,其中A为截面面积，S为湿周长度。

4）对于孔径为d，螺旋直径为D的盘管，节流长度需除以修正系数。

2.薄壁小孔节流器

当孔长l与孔径d之比小于4时，若孔径又很小，便可认为是薄壁小孔。通过薄壁小孔的流量Q的计算公式为

式中 Q——通过节流器的流量；

K_q——流量系数；

A——通流面积；

p_s-p_b=Δp——通过节流器的压力差；

ρ——油的密度。

要注意的是：

1）节流孔径d≥0.45mm，防止堵塞。

2）通过节流器的流量与油的黏度无关，但轴承油膜的性能仍与油的黏度有关。

3.滑阀反馈节流器

这种节流器在轴承中形成的油膜刚度很大，要求滑阀精度很高，滑动灵敏。对弹簧的要求也很高。通过节流器的流量Q的公式为

式中 Q——通过节流器的流量；

K_q——流量系数,;

d——滑阀直径;

h——滑阀单边间隙;

l——缝隙长度（设计长度）;

p_s——输入口的压力;

p_b——油腔压力（输出口压力）;

μ——油的黏度；

l_i——工作时缝隙长度。

要注意的是：

1）滑阀单边间隙h≥0.03mm，以防堵塞。

2）滑阀直径d≥10mm。

3）l=1～1.5d，轴承受载后，l值变化，承载腔对应的l值变小，背载腔对应的l值变大。

4.薄膜反馈节流器

薄膜反馈节流器的薄膜是由弹簧钢板制成的。通过节流器的流量Q的公式为

式中 Q——通过节流器的流量；

K_q——流量系数，；

h——不工作时缝隙高度；

d₂——凸台直径；

d₁——进油孔径；

h_i——薄膜变形后的缝隙高度。

要注意的是：

1）h≥0.03mm，以防阻塞。

2）D=25～26mm （D为节流器内径尺寸）。

3）≥3～4mm。

以上介绍四种节流器的流量公式。除小孔节流外，其他节流器的流量均与节流器前后压力差成正比，小孔节流器的流量与前后压力差的开平方成正比。

油膜刚度是静压轴承的重要指标，。其中，G为油膜刚度，p_s为节流器进口压力，A为轴瓦有效面积，h为轴瓦间隙。

使用中的静压轴承，各参数已确定，只有调整节流器的输入压力p_s方可改变油膜刚度，但是p_s调大后又会导致油温升高、流量变化等不良结果。在静压轴承使用说明中，会规定合理的p_s值，对节流器进出口的压力比也有明确的要求，维修时不要随意调整p_s值。

三、液体静压径向轴承的基本形式

液体静压径向轴承分为垫式轴承和腔式轴承，其基本形式如图1-16所示。垫式轴承有轴向回油槽，腔式轴承无轴向回油槽。

两种形式的轴承有以下几点不同：

1）从承载能力上看，腔式轴承比垫式轴承高50%；从刚度上看，腔式轴承比垫式轴承高70%。因此，在同载同刚度下，腔式轴承的尺寸可小些；尺寸相同时，可采用较低的供油压力。

2）从流量和功耗上比较，腔式轴承比垫式轴承少50%。

3）腔式轴承的温升略高于垫式轴承的温升。

4）从轴心轨迹上比较，腔式轴承的偏位角比垫式轴承的大。

综上所述，两种轴承形式各有千秋，都有应用，垫式轴承的应用偏多一些。

四、MBS1620型磨床砂轮架主轴静压轴承的技术参数

MBS1620型磨床砂轮架主轴结构如图1-17所示。

1.小孔节流式液体静压轴承

该机床静压轴承补偿元件采用小孔节流方式，轴承结构采用垫式。当轴没有受到径向载荷时，液压油经小孔节流器后进入各油腔，轴悬浮在轴承的中央，这时轴与轴承的间隙各处相等，流经各油腔的节流阻力相等，各油腔回油的间隙阻力也相等。当轴受到向下的径向载荷W作用时，轴向下移动距离e，使下腔的排油间隙减小，液体流出的阻力增大，油腔压力升高，而上腔的间隙增大，油腔压力相应降低，两腔便产生压力差Δp，以抵抗径向载荷W,保持主轴新的平衡。

2. MBS1620型磨床砂轮主轴小孔节流式液体静压轴承的主要参数

该机床静压轴承所用油为FD3静压轴承润滑油（一种用于节流器为小孔节流静压系统的专用油），供油压力为p_s=1.5MPa，需进一步提高轴承刚度时可调至2MPa。

该轴承的名义孔径为φ100mm，轴承直径间隙2h=0.046～0.050mm，节流小孔直径d₀=0.5mm，当油温在2～50℃时，节流比=1.5～2.7。以上主要参数选择的目的在于保证轴承有较高的刚度，如果在运行中节流比过大或过小，会影响轴承刚度，应查找原因，进行修复。

3.静压轴承液压泵压力的调整

起动静压轴承液压泵，调整溢流阀，使压力表显示压力为1.5MPa。调整溢流阀压力由高逐渐降低；调整压力继电器，当压力表显示压力降至0.5MPa时，压力继电器开关被松开。

4.静压轴承油腔中的压力

当砂轮主轴未装砂轮时，前端及后端轴承的油腔压力应显示为0.8～1.0MPa，装上砂轮后，前端油腔压力应有所增加。如果指示的压力与压力比相差过大，不准起动砂轮主轴，应对节流器、过滤器进行检查。正常时，用手拨动砂轮应轻松无阻地转动，不应有阻滞现象。

五、静压轴承常见故障及排除方法

我们从静压轴承工作原理的数学模型可知，轴承油腔中的压力。如果一个节流器被堵塞，R_o→∞，则油腔中的压力为零，轴被压在该节流器所控制的油腔上，主轴被“抱死”。如果一个油腔流出的缝隙被堵塞，R_b→∞，则该油腔的压力p_b=p_s，主轴不能承载，于是，主轴受力后被压向对面的油腔，主轴也被“抱死”。所以油的清洁度是十分重要的。

静压轴承的常见故障及排除方法如下：

1.主轴和轴瓦拉伤或咬死

1）轴瓦装入壳体后，为保证同心度和圆度，需要进行精加工、镗削或研磨，切屑或金刚砂往往隐藏在回油槽、油孔等处，由于未清理干净使杂质进入轴瓦工作面,发生缝隙堵塞或被拉伤。

2）油管多采用纯铜管，装配时需要退火、扩孔、弯曲等操作，很易产生氧化皮脱落，如果清理不彻底，很容易使节流器堵塞，发生“抱轴”故障。

3）供油系统过滤器选择不当，使部分杂质流入节流器或轴承缝隙。主要的杂质包括壳体表面油漆、铜管氧化皮和油中杂质。如果杂质颗粒直径大于等于油膜单边间隙，就会引起堵塞。

4）轴瓦在装配时，油孔错位造成轴瓦油孔不通或半通状态。

5）供油系统安全保险装置没有设置，如贮能器、压力继电器、电气联锁等，或调整不当，出现供油“失压”问题。

6）轴承和主轴形位误差大，引起各油腔压力不均，甚至主轴无法转动。

以上原因中的1）～3）主要是由于杂质进入油中引起的。应采取以下措施排除故障：①仔细认真地清洗轴瓦、主轴、油箱、铜管，应该用经过过滤的压缩空气吹净，用煤油冲洗；②去除加工中的毛刺;③供油系统应采用精过滤器，过滤精度小于轴瓦单边间隙且小于节流器的缝隙。

供油系统要有完备的保险装置，并且应使用可靠。

严格控制轴瓦与主轴的制造误差和装配误差。

装配时注意轴瓦装配位置的正确性，避免装配时进入杂质。用干净手装配，不戴手套。

2.油腔压力波动

1）个别油腔压力下降，主要原因是节流器被部分堵塞，使相对应的油腔压力下降。

2）所有的油腔压力下降，主要原因是过滤器被部分堵塞。

3）液压泵流量不足或压力波动。

4）油温升高，油黏度下降，使油腔压力降低。

5）溢流阀失灵，使进油压力波动，油腔压力也随之波动。

6）主轴系统振动。

压力波动的排除方法如下：

针对现象1）、2），清洗节流器和过滤器，检查油中的杂质是否超标，如果超标应更换新油。

针对现象3）、4），选用流量更合适的液压泵及合适的油液，可选下列三种中的一种：①3号主轴油；②50%的2号主轴油+50%的4号主轴油；③70%煤油+30%的N32号机械油。

针对现象5），换修溢流阀。

针对现象6），检查主轴动平衡及砂轮静平衡，并检查电动机及V带运行是否平稳，如不平稳，应予更换。

六、静压轴承的维护

静压轴承在使用和维修时，应注意以下几点：

1）按规定时间，半年到一年进行换油。

2）向油箱加油时用三层绸子布过滤。

3）装卸主轴带轮及砂轮时应在静压状态下进行。

4）停止液压泵之前应观察砂轮主轴已完全停止时，再停液压。

5）更换泵站上与静压相关的任何零部件应先将压力软管接头卸下并将软管插入油箱，更换完后油路自我循环15～20min再接上软管。