大型静压轴承系统的设计与优化综述外文翻译资料

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大型静压轴承系统的设计与优化综述

目录

摘要 2

1导言 2

2.大型静液压轴承系统概述 4

2.1. 静压轴承工作模式 6

3.计算与优化 7

3.1. 性能优化 13

3.2. 焊盘几何优化 15

4.滑动面 17

4.1. 结构变形分析与防治 17

4.2. 制造装配误差分析与预防 19

4.3. 材料、表面处理和改性 22

5.静液压轴承供应系统 23

5.1. 流量补偿 23

5.2. 蓄能器单元 24

5.3. 润滑剂 25

6.摘要 29

7.未来的挑战 29

摘要

在过去几十年中，由于静液压轴承的可能性和优势，静液压轴承应用的需求一直在增长。流体静压润滑理解和计算机技术的进步为流体静压轴承性能和精度的提高开辟了新的途径。趋势工业4.0的出现给重型机械行业带来了新的挑战和机遇。本文回顾了包括液压系统在内的大型静压轴承几何结构的总体设计和优化过程。讨论了轴承几何优化、加压流体供应部件和流量控制装置的最新发展。此外，还提出了避免静压轴承昂贵维护和修理的可能措施。最后，提出了大型静压轴承未来的研究方向。本综述全面总结了大型静液压轴承设计中的潜在问题和可能的解决方案，同时也为克服制造、装配和服务过程中可能出现的潜在障碍提供了支持材料

1导言

1852年，L.D.吉拉德发明了供水液压轴承，为机械工程行业开辟了新的可能性。从那时起，发展进程取得了巨大进步。Reynold基于Tower在1886年发现流体动力润滑的基础上发表的润滑理论[1]极大地促进了对流体流动的理解。1918年，瑞利勋爵[2]讨论了最大承载能力的最佳阶梯轴承几何结构，现在称为瑞利阶梯轴承。在接下来的一段时间里，外压轴承的开发过程和应用不断增长，并提出了多项专利。Rowe[3]在1989年提出了一篇关于静液压轴承和混合轴承的综述论文，总结了该领域以前的进展。1992年晚些时候，Bassani和Piccigallo[4]写了一本综合性的书，描述了基于最新研究的静压轴承设计和优化的所有重要方面。2014年，Li等人[5]进一步回顾了大型静液压轴承领域的研究进展。后来，Liu等人[6]深入了解了静液压轴承系统的研究和应用，证明静液压润滑仍然是一个越来越重要的课题。尽管之前在静液压润滑领域做出了重大贡献，但最新技术的发展为进一步改进静液压轴承提供了新的机会。

静液压润滑的工作原理是在滑动面之间注入加压流体，以确保其分离[4]，如图1所示。流体通过入口孔从液压回路供应，并通过凹槽均匀分布。转盘是浮动的，一旦润滑膜完全显影，转盘就可以运行。流体压力从凹槽区域逐渐降低到大气压力，出口流体被收集并返回循环。

静液压轴承的主要优点是仅由流体剪切力产生的摩擦力非常低，并且滑动表面的磨损可以忽略不计，滑动表面完全由加压液膜分离。与要求较高转速的流体动力轴承相比，流体动力轴承即使在静止时也能工作，因为表面分离得以保持，由于轴承间隙充满加压流体，静液压轴承显示出高阻尼能力和高刚度，而噪声发射和振动传递非常低。由于没有固体接触，静液压轴承具有非常高的移动精度和稳定性，没有任何不良的粘滑效应[7,8]。然而，在为特定应用选择静液压轴承之前，也必须考虑到一些缺点。要求滑动面精度高；因此，初始制造成本可能要高得多。考虑到正常运行所需的所有液压回路元件，由于需要外部加压流体供应，初始成本增加。考虑到静压轴承系统的复杂性，管道、液压和电能供应需要更大的垫层空间。尽管滑动面之间产生的噪音较低，但泵电机产生的静液压轴承系统噪音也不容忽视。然而，空气、流体和结构[9]传播的噪声可以通过绝缘材料或将水轮发电机限制在绝缘空间中来降低。液压蓄能器[11]可以抑制流体传递的振动[10]，而使用垫块或减震器可以降低结构振动。

大型轴承是重型旋转部件的基本支撑元件。滚动元件的使用受到最大直径和承载能力的限制。滚动轴承的尺寸大多只有几毫米。然而，风力涡轮机的大型滚动轴承可以达到5米[12]。大型滚动轴承的问题不仅在于滚动元件的尺寸和所需精度，还在于高接触应力引起的疲劳[13]和滚道/滚珠损坏[14]。与滚动轴承相比，静液压轴承适用范围广、承载能力大、应力分布均匀。因此，静压轴承已用于大型隧道钻机[15]、大型船舶轴和轴颈轴承[16]、推力轴承[17]以及天线或望远镜结构的承载和操作，如巨型麦哲伦望远镜[18,19]。这种类型的轴承可能用于大型船舶螺旋桨、破碎机、大型旋转叶片[15] 运输转弯，或舞台和装配线操作和精确定位。静压轴承的另一个重要应用是用于尺寸工件的CNC转台[20]和阻尼器[21,22]，这得益于压缩期间的流体特性、冲击载荷和振动阻尼，这也是磨床中使用的一个巨大优势[23]。静液压轴承最重要的用途之一是水电机组[24]；当水轮发电机[26]的水轮机[25]需要在不损坏接触面的情况下开始旋转时，如图2所示，当混合轴承在不损坏轴承接触面的情况下启动、停止或反转时，流体动力（HD）轴承与流体静力轴承腔[27]结合。此外，高荷载和抽水的可能性对需要克服海平面差异的船舶海运船闸铰链有利[28]。此外，该工作原理可用于脱盐工艺和反渗透的旋转回收装置[29]。如上所述，静液压轴承具有巨大的应用潜力，随着现代技术和趋势的发展[30]，如工业4.0[31]，静液压轴承的应用潜力将不断增加。

最近，关于静压轴承设计的详细书籍和论文[4,5,32-34]已经出版，最近一些出版物表明静压轴承的主题仍然是一个相关问题[6]。然而，这些出版物主要集中在静液压垫输入处的静液压垫和流量控制或外压径向滑动轴承设计[35]，但很少有出版物针对与大型静液压轴承相关的最重要限制和问题，如制造、运输和装配。此外，出版物大多没有涵盖包含液压回路的整个轴承及其特性和优化参数设计的意义。此外，在临界条件下运行静液压轴承可能导致严重损坏和昂贵的维修。然而，在设计过程中可以安全地避免此类并发症。本文综述了大型静液压轴承的设计和优化，以使静液压轴承的设计过程更容易实现，并使大型机械的进一步发展成为可能，有助于创造现代技术和建立更健康的环境。

1. 大型静液压轴承系统概述

合适的轴承类型是机器设计的关键步骤。在此之前，根据汽车行业所需的特点，为静液压轴承[35]引入了若干选择策略指南，包括决策过程和选择指南[33]。静液压轴承根据负载支撑方向分为三个基本组–轴向（推力）、径向（轴颈）和组合。轴向和径向类型的计算类似，但坐标系不同。轴承可根据结构类型进行表征：开放式（图3a）和封闭式（图3b），其中相对的凹槽分别作用于转台或轴上。滑动轴承可以是全封闭的，例如，对于代表大多数的主轴[36]，也可以是开放的，用于大型结构的定位[18]，例如方位旋转。相反，开式是最常用的推力静压轴承类型，其结构简单，但精度和动态性能较低[20,37]。在封闭式中，相对的衬垫作用在转台上，从而产生更高的精度[38]、刚度[39]和动态性能[40]。相反，封闭式轴承更昂贵，对液压回路部件的要求也更高。当需要支撑径向和轴向载荷时，另一种类型的静液压轴承是径向和轴向轴承的组合[41]，其形状可以是平坦的（图3c）或圆锥形的（图3d）。组合轴承有利于中高旋转精度[15]和相对较小的跳动[42]。另一个优点是轴承的锥形提供了自我补偿的能力[43,44]。圆锥轴承特别适用于更高的组合载荷，因为可以调整角度以获得理想的性能[45]，其中最佳值为60°？对于最佳径向和30？以获得最佳轴向性能。通常，开放式轴承最简单，仅适用于单向载荷，而封闭式轴承适用于双向载荷。组合式在更高精度的机器中具有优势。最后，圆锥轴承具有优越的补偿能力，适用于径向和轴向的类似载荷。

在大型轴承的情况下，制造、运输和装配已成为制造业中最重要的标准设计过程。就尺寸而言，可以从几个角度来理解大尺寸：a）市场可用性–直径大于公司提供的标准化轴承b）公司提供的（有时直径高达2000 mm），c）可制造性–无法在一件中制造出令人满意的滑动面精度，操作-运输尺寸（例如，超过10000 mm的超大轴承直径）或施工现场建筑区域不允许整体移动轴承（例如，有限的轴承垫层空间，难以到达的轴承放置-地下室等）。

考虑到上述所有情况，静压垫可以是均匀的，由环形段组装而成，也可以分为支撑转台的独立段。均匀的静压垫（单垫轴承-图4a）有利于转台段的高度定位。但是，与其他几何类型相比，制造和运输过程可能要复杂得多。此外，建议使用用于静水压凹槽分离的排放槽（图4b），以避免相互的凹槽流干扰[46]；然而，整个工作流程将变得更加复杂。因此，可以导出一种特殊形状，以避免低干扰，并简化制造、运输和装配过程——分离式静液压垫（多垫轴承——图4c）。此外，整个装配过程中的操纵性也大大提高。然而调平和定位比均匀静液压垫更困难。必须包括密封橡胶肋，以避免衬垫之间漏油。分离的静液压垫之间的距离取决于转台刚度和所需精度。基本上，对于更高的精度，例如用于加工的数控转台，静液压垫的数量通常更高。在Jang和Choi[20]提出的设计中，静水压垫分为两排：20排外部半径为1500 mm，8排内部半径为500 mm。然而，对于大型结构[4]、高刚度结构或要求精度较低的应用，垫片之间的圆周距离较大。例如，巨型麦哲伦望远镜的方位结构基于24个轴向静水压垫。在多瓦静液压轴承控制中，根据负载分配比进行主-从瓦变化[47]是有益的。此外，考虑到多瓦轴承的恒定供电系统非常昂贵[40]，因此建议使用流量分配和控制装置。

大型静压轴承的完整方案如图5所示。静压轴承由两个主要部分组成：静压垫和液压回路。静液压垫是一个固定部件，用负载支撑旋转转台。静压轴承的第二个基本部分是液压回路。恒定低压供电系统为每个凹槽配备单独的水轮发电机；然而，由于空间或初始成本的原因，提供许多凹槽将是一个复杂的问题。因此，多瓦静液压轴承由一台带有分流阀和限流器的泵提供[34]。此外，大型静液压轴承受制造、运输和装配工艺的限制，因此这些类型的轴承通常由一个带有多个入口的大型环[18]或放置在所需轴承直径内的多个垫片[20]组成。

泵以高于静液压垫要求的压力向静液压垫提供足够的加压流体；因此，流量和压力通过液压阀进行处理。液压阀包括三种类型：用于控制油流方向的单向阀、用于控制回路中不同段压力的压力控制阀和用于控制回路中流量的流量控制阀。流量控制阀是静液压轴承的特别重要的部件，因为它们通过补偿冲击和非对称载荷和振动期间的压差来保持恒定的膜厚。液压蓄能器的重要性将在后面讨论；但是，在液压回路突然发生故障时，它起到故障安全措施的作用。在液压回路建模和电路组成[48]中发现了一个类比，它可以利用物理定律与转换系数和相应尺寸的相似性简化设计过程。适当的过滤器对于维护润滑油质量是必要的。如果被动冷却不足，液压回路中必须包括主动冷却器，以避免润滑油温度显著升高导致静液压轴承性能下降。

2.1. 静压轴承工作模式

表1总结了[4]中介绍的静压轴承工作模式。滑动面分离的基本条件是保持由流体惯性产生的足够的提升力。在设计阶段，必须仔细设置工作条件，以避免在静水压轴承运行的临界状态下长时间工作。如果事先考虑，可以避免临界运行状态（表2），因此本审查文件重点关注防止此类状态的发生。非对称载荷状态 而突然的负荷变化则取决于合适的垫块形状和流量控制。可以使用计算软件分析润滑剂的性能和热特性。最后，通过实施具体措施，可以预测和预防液压回路故障。以下部分将详细讨论上述程序。

3.计算与优化

窄间隙流动研究的基本要求是基本体积中的各向同性和连续条件。因此，用于粘性流体描述的Navier-Stokes方程如式（1）所示。

表1静压轴承工作方式

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