深浅腔体液动静压轴承的多目标优化设计研究

3.0 闻远设计 2023-03-29 143 4 15.09KB 3 页 2光币

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　　摘　　　　要：　动静压轴承广泛应用于超高速切削电主轴，其工作性能对电主轴的可靠性及加

工精度具有直接影响。传统动静压轴承设计以满足设计要求为原则，无法确保轴承的最优使用

性能。为此以深浅腔体液动静压轴承为对象，对轴承结构的多目标优化设计进行研究。以轴承

温升最小、油膜刚度及承载能力最大为目标函数，以浅腔深度、初始油膜厚度、进油孔径为设

计变量，将参数取值范围作为限制条件，依托遗传算法，对动静压轴承开展优化设计，探寻最

优方案。在对优化前后进行比较分析后发现，与优化前相比，动静压轴承油液温升、油膜刚度

及承载能力在优化后均得到了改善，说明本次优化设计具有可行性。

　　　关键词 :　　　　　动静压轴承;温升;油膜刚度;优化设计;遗传算法;

　　 Abstract：　 Hydro-dynamic-static　bearing　is　widely　used　in　the　ultra-high-speed　machining　of　

motorized　spindle.Its　working　performance　has　direct　impact　on　the　reliability　and　machining　accuracy

of　the　motorized　spindle.Traditional　design　of　hydro-dynamic-static　bearing　is　based　on　the　principle　

of　meeting　the　design　requirements,　which　cannot　ensure　the　optimal　performance　of　the　bearing.For　

this　reason,　the　multi-objective　optimization　design　of　the　deep-shallow-cavity　hydro-dynamic-static　

bearing　is　studied.Taking　the　minimum　temperature　rise,　the　maximum　oil　film　stiffness　and　the　

maximum　bearing　capacity　as　the　objective　function,　the　shallow　cavity　depth,　the　initial　oil　film　

thickness　and　the　oil　inlet　diameter　as　the　design　variables,　and　the　parameter　range　as　the　limiting　

condition,　the　dynamic-static　bearing　is　optimized　based　on　genetic　algorithm.The　oil　temperature　rise,

oil　film　stiffness　and　bearing　capacity　of　the　dynamic-static　bearing　have　been　improved　after　the　

optimization,　which　indicates　that　the　optimization　design　is　feasible.

　　 Keyword：　 dynamic-static　bearing;　temperature　rise;　oil　film　stiffness;　optimization　design;　

genetic　algorithm;

　　 0 　、引言

　　动静压轴承具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强的特点，广泛应用于测量仪器及精密机

床，其润滑方式分为油润滑、水润滑及气体润滑[1]。当前，相关研究者对气体动静压轴承进行

了大量研究。王云飞研究了动混合润滑静压气体轴承的动态、稳态设计，为缝式、孔-腔式、

孔式动静压轴承设计奠定了理论基础[2];郭胜安等通过数值计算法及 CFD 仿真法分别深入研究

小孔节流深浅腔动静压轴承的承载性能，验证了数值计算及软件仿真的正确性[3];吴怀超等分

别采用有限体积法、遗传算法、有限元法结合正交试验法，优化设计了动静压轴承，为获得最

优轴承参数即轴承特性提供了理论指导[4]。

　　传统动静压轴承设计以满足设计要求为基本原则，无法确保轴承使用的最佳性能，为此文

中以深浅腔液体动静压轴承为对象，对其多目标优化设计进行研究，获得轴承最佳使用性能。

　　 1　、动静压轴承结构分析

　　文中以应用于超高速切削电主轴的深浅腔液体动静压轴承为研究对象[5],其结构见图 1。

　　图1中，轴瓦上设置有 4个由浅腔和深腔构成的阶梯型油腔，进油孔位于深腔中间部位。

在液压力作用下，经节流器的高压油液从进油孔进入轴承油腔，润滑油在轴径高速转动下在轴

承内部由深腔流入浅腔，填充整个腔体。深腔向浅腔流动过程中，油液流速降低，油膜压力增

加，有效的降低了油腔内的湍流现象。出油口位于轴径与轴承之间的间隙，由于出油口间隙较

小，油液流出阻力较大，致使轴承油腔可保持较大油膜压力。动静压轴承结构参数如表 1所

示。

　　 2　、多目标优化设计

　　 2.1 　、优化设计的数学模型

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摘要：

深浅腔体液动静压轴承的多目标优化设计研究　　摘　　　　要：　动静压轴承广泛应用于超高速切削电主轴，其工作性能对电主轴的可靠性及加工精度具有直接影响。传统动静压轴承设计以满足设计要求为原则，无法确保轴承的最优使用性能。为此以深浅腔体液动静压轴承为对象，对轴承结构的多目标优化设计进行研究。以轴承温升最小、油膜刚度及承载能力最大为目标函数，以浅腔深度、初始油膜厚度、进油孔径为设计变量，将参数取值范围作为限制条件，依托遗传算法，对动静压轴承开展优化设计，探寻最优方案。在对优化前后进行比较分析后发现，与优化前相比，动静压轴承油液温升、油膜刚度及承载能力在优化后均得到了改善，说明本次优化设计具有可行性。　...

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