一、概述
磨床砂轮主轴轴承是影响磨削工件的质量、效率及稳定性的一个主要因素，一般来说，磨床砂轮主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承二大类。常规磨削速度（ν＝35’m /s ) ，主轴滑动轴承已发展到相当高的水平，有动压轴承、静压轴承及动静压轴承，其研究工作已有数十年历史，其基本指导理论是雷诺方程，并在雷诺方程假设边界条件下计算、研究等（静压轴承另有计算方法）。但对于砂轮线速度ν>80m /S 时，上述滑动轴承较难胜任，特别是目前汽车凸轮轴、曲轴及超硬钢材质轧辊磨削，采用CBN 砂轮（立方氮化硼磨料）进行高速磨削，国外普遍采用高速滚动轴承作为主轴支撑。但由于滚动轴承有效使用寿命短，在长期磨削工作中需经常更换轴承。笔者根据多年来的实践经验，认为研制高速滑动轴承须克服二大难题。
1．发热
高速滑动轴承发热主要有二方面因素。首先是因受到由流体粘度引起的微因分子流动时相互剪切力的作用，转速越高，剪切力作用越大，即内摩擦功越大，产生热能量就越大。这部分热能现在主要靠油液冷冻技术来解决。另一方面是主轴轴颈密封圈摩擦引起。速度越高，密封圈摩擦热越大，且密封圈本身有适应转速范围的限制。在实践中，密封圈还会在主轴颈上磨出沟槽来，使轴承系统失效，为此，应想法去除密封圈。
2．失稳
关于油膜振荡，半速涡动，同步涡动等问题。英国的巴威尔有许多权威性研究理论，据说如果轴的固有振动频率与轴颈速度之比为1／2 ，振幅将会过大而破坏油膜。同时指出在任何给定的偏心率下，紊流似乎对稳定性并无太多影响，同样，英国的平克斯指出：在轴的速度能带动流体绕着间隙流动并维持一个产生驱动力的压力分布时，这个速度就定为涡动的频率。流体动力不稳定性是由轴承油膜产生的力所引起的，此时对轴的位移来说，其方向是推动轴进行涡动的。笔者在实践中却发现一种情况：并非在整个转速范围内轴承系统的振动（在无外载荷情况下）都随着主轴转速增高而增大。事实上在长期大量的生产实践中，笔者认为，研究失稳问题，即要研究微因作用力的影响，又要同时考虑轴承系统的宏观效应。对于传统的二个圆柱体径向轴承加上平面止推轴承组合的轴承系统，其运行时的高速与低速则会产生截然不同的情况。甚至可以说同一种结构，它的转速范围可以是相当有限的（不考虑密封圈因素）。对于常见的油腔，它的边界线一般与轴承轴心线平行，这个现象如用微因单元油来说，其结果会与油腔边界线与轴承轴心线夹一螺旋角所产生结果相差无几，但在实践中并非如此。
图1 为传统的油腔边界线与轴心线平行的轴承，当主轴在轴承中旋转时，主轴轴线oo 与油腔轴向边界线dd 平行，主轴每旋转一周，有6 个油腔即6 个δ区域恒值动压力；同样起始角β也为恒值（图1－b ）。在图2－a 中，A’－A’和A"一A" 在任一截面切开，都得到相同的图1－b 。轴承内油腔动压力依次6 个：“o→极大值→o”的周期，而图2 为油腔轴向边界线与轴心线夹螺旋角效果图。设“oo”为主轴某切面线，以转速n 依次转过油腔1 、2 、3 、4 时任切一截面，都会得到图2－b不同的是不同截面CDGC, β、δ角度位置不同，也就是说，就轴承轴向的任一截面内仍然依次有4 个δ动压力区域，仍然依有4个：“o→极大值→o”的变化。但就整个轴承来说已不存在某动压力区域，也没有“o→极大值→o”的变化了。
nextpage 二、新型超高速动静压轴GL-01
最近笔者研制的新型超高速动静压轴GL-01，如图3 所示。
这是一种内锥螺旋油腔的轴承系统。省去了传统的平面止推轴承，也没有密封圈。主轴大端直径Ø120mm ，使用CBN 砂轮，砂轮直径Ø500mm，主轴转速Ф＝12000r /min ，砂轮线速度υ=370m/s ，超出音速。
1. 这里CDFE 是实际圆锥面螺旋油腔，虚线部分CDGC’是假想圆锥面油腔，DD’与轴心线QQ ’平行，DG 与DD 夹角为圆锥半角a , DG 与DD’夹角为螺旋角β,FA 为径向封油面。假想DD’为主轴某一切面线，沿n 方向旋转，从油腔A 点依次转过D →F→E等，显然当主轴任一切面线一部分进人某油腔时，该切面线的另一部分正在逐步移出上个油腔，这就是螺旋油腔。由于螺旋油腔轴承受载荷是均衡无方向性的，主轴旋转将是极其平稳的。主轴运转速度在相当大的范围内不受任何限制。
2.由于是圆锥轴承，油膜对主轴的表面的法向反力分解成径向分力F 法sinα和轴向分力F 法cosα ；轴向分力的存在使轴承系统中不需平面止推轴承的介人（当然圆锥轴承需成对使用），结构简单。更重要的是圆锥轴承是天然的无需轴颈密封环封油的轴承系统。无论主轴处于静止或低速或高速旋转状态都无需密封环。可作如下证明：设油液从Z 轴正向流出轴承时，在Z 轴任意取二截面Zl、Z2 ，并在Zl 、Z2 处取二小区域么△Zl 、△Z2 ，分别求出Zl 截面和Z2 截面的容积Vz1 和Vz2。
当油液从Zl 区域流向Z2 区域时，由于不能填满Z2 区域的容积，需从Z1 区域再补充一部分油液作增量么Z ，这样依次类推，当油液从Z 轴正向流出轴承时，油液将有一连续增量，即有一加速度，方向指向Z 轴正向，使油液迅速流出Z 轴正向（实践中流体成喷射状流出轴承，而不是传统圆柱轴承那样“从容”地流出）。油液不可能逆加速度方向及Z 轴负向流出轴承。所以这是无密封环的轴承系统。
三、应用
上海华承机床有限公司研制薄膜轴承已多年，最近，研制出一种高精度高速滑动轴承，安装在上海机床厂的MK8332 凸轮轴磨床上，砂轮磨削线速度能达到200 而S ，并延长了使用寿命。本公司设计的该套高速高精度滑动轴承首次采用无密封圈，并且为防止高速旋转失稳，采用了螺旋油腔技术，使主轴转速在高达l0000r / min 以上时仍表现极端平稳。现将该套轴承研制情况介绍如下：
nextpage 1．基本情况数据
( l ）轴承：类型：阶梯动静压高速轴承
材料：zQSn6－6－3
油腔：四块螺旋状浅油腔，单腔深0.02 于0.030mm
止推：无止推环，由圆锥面止推（轴承结构如图4 所示）
( 2 ）主轴：材料：38CrMoA12 ，氮化钢，T－D3.0－900
间隙：0.040－0.045mm
回转精度：锥面制造跳动1.0μm
直径：φ120mm
( 3 ）安装及工作简况：
前后轴承为对称圆锥轴承。先将前轴承压人壳体内，再将主轴前端伸人轴承，然后将轴承内孔套住主轴。外圆压人壳体人至预先定位处止。（系统在安装时不用螺丝）主轴系统在工作时，由于主轴两端是两圆锥面（对称），有径向及轴向同时承受负载的功效，而不再靠传统的止推环来止推。
( 4 ）供油：油液为2#主轴油；油压为25kg/c㎡ ; 流量为15L/min
供油箱有冷却及氮气蓄能器装置
( 5 ）启动：主轴传动为电主轴而无皮带轮，电主轴同样有冷却装置
nmax16000r/min Nmax3OkW
( 6 ）主轴动平衡：主轴及电机转子先期预动平衡
动平衡转速n = 1000r/min ，动平衡值为O－0.6 克
( 7 ）砂轮直径D1＝φ500mm , D2 ＝φ75Omm ，材料：CBN （立方氮化硼）
2．检测数据：
( l ）温升△ t： nl = 4500 ，△t≤25 ℃ （室温6 ℃未启动冷却）
4500r/min ＜n＜8000r/min ， △t≤33 ℃ （室温6 ℃,启动冷却）
8000r/min ＜n＜120O0r/min ， △t≤67 ℃ （室温6 ℃,启动冷却）
( 2 ）主轴径向回转精度：et=0.0015mm （油膜均化误差所致）
( 3 ）主轴轴向回转精度：en=0.002mm
( 4 ）主轴静刚度6=66kgf/lμm （油压25kgf/c㎡ )
( 5 ）主轴回转动刚度：n=1500r/min δ＝100kgf/1μm
n=4000r/min δ=2O0kgf/lμm
当n＞5000min δ基本无值（在200kg内）
( 6 ）电机电流：电机三相电阻均为0.1Ω
当n = 2000r/min
输人电流：7.8A 7.1A 7.6A
输出电流：1.8A 4.8A 4.OA
当n = 450Or/min
输人电流：18.2A 18A 18.1A
输出电流：11.6A 14.1A 12.5A
( 7 ）主轴实际最高转速：nmax=12500r/min
3．结果：
主轴最高线速度达Vmax=78.5m/s
φ500 砂轮Vmax=32lm/s
φ750 砂轮Vmax= 490m/s (超出音速）
四、小结
1、由于是圆锥轴承，作用在润滑液微单元体上的力系与圆柱轴承的润滑油微单元体上力系不一样，显然当圆锥半角a=O 时，二种力系一致。
2、由于圆锥在Z 轴向，轴承直径D不是一常量。（而传统轴承直径D 是常量），这样流体在X 向的VX 是Z 轴的线性函数。另外，由于是圆锥螺旋油腔，使得实际油腔径向流速Vx 与轴向流速Vz 成为Z 轴的函数（非线性函数）。对上述几种情况，笔者尚未建立数字模型。
3、由于圆锥轴承油膜承载力分成径向与轴向二个分量，而该类轴承是成对使用的。轴承系统中出现的一对轴向分力，实际上成为轴向窜动的止推力。综上所述，笔者认为任何一种滑动轴承，其设计计算后，都将受到制造、工艺等的种种限制，使用范围也将受到限制。
