楊 軍 陳虹先

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

關(guān)鍵字：精密數(shù)控機(jī)床；恒流靜壓導(dǎo)軌；導(dǎo)軌間隙；油膜；剛度

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的大型機(jī)床為滿足極限生產(chǎn)而不斷增大機(jī)床規(guī)格，對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌副也提出了更高要求。結(jié)合對(duì)某大型數(shù)控龍門銑工作臺(tái)的恒流靜壓改造應(yīng)用，分析闡述了恒流靜壓導(dǎo)軌的原理，并用理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行情況共同證明了恒流靜壓導(dǎo)軌應(yīng)用在大型數(shù)控機(jī)床上生產(chǎn)加工的優(yōu)越性。

1 靜壓導(dǎo)軌工作原理及恒流靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)越性

1.1 靜壓導(dǎo)軌的工作原理及分類

靜壓導(dǎo)軌的原理是導(dǎo)軌和靜壓腔形成一個(gè)空間，該空間內(nèi)由具有一定壓力的液壓油充滿，最終可以隔絕開(kāi)非運(yùn)動(dòng)面導(dǎo)軌與運(yùn)動(dòng)面靜壓腔之間的油膜間隙，靜壓腔跟隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與導(dǎo)軌面產(chǎn)生純液體摩擦。

靜壓導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)形式分為閉式和開(kāi)式。閉式靜壓導(dǎo)軌各相向?qū)к壝姹混o壓腔包圍形成一個(gè)封閉的油膜間隙包裹導(dǎo)軌，因此能承載雙向載荷，保證工作臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行；而開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌只在承載面與工作臺(tái)的靜壓腔形成油膜間隙，靜壓腔內(nèi)的液壓油由外部油泵經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入，與導(dǎo)軌面形成油膜間隙，使工作臺(tái)浮起，并經(jīng)靜壓腔邊界流回油箱，形成一個(gè)循環(huán)平衡，保證工作臺(tái)平穩(wěn)運(yùn)行。

靜壓導(dǎo)軌按供油情況分為恒壓式和恒流式。供給保持靜壓腔內(nèi)液壓油壓力不變即恒壓式靜壓導(dǎo)軌；供給保持進(jìn)出靜壓腔液壓油流量不變即恒流式靜壓導(dǎo)軌。

1.2 恒流靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)越性

相較于恒壓式靜壓導(dǎo)軌：

(1)恒流式靜壓導(dǎo)軌過(guò)載能力強(qiáng)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于工件結(jié)構(gòu)以及裝夾方式的不同等因素，并不能保證工作臺(tái)的各個(gè)靜壓腔承受的負(fù)載一致。恒流式靜壓導(dǎo)軌和靜壓腔之間的油膜間隙由于有恒定的流量輸入，使其隨外部載荷增大而變小，反之亦然，具有更強(qiáng)自適應(yīng)性和過(guò)載能力；而恒壓式靜壓導(dǎo)軌靜壓腔之間的油膜間隙是由節(jié)流閥控制的液壓油壓力決定，當(dāng)外部負(fù)載過(guò)大時(shí)難以形成油膜間隙。

(2)恒流式靜壓導(dǎo)軌抗液壓油污染能力強(qiáng)。由于實(shí)際工況，液壓油難免被污染，且恒流式靜壓導(dǎo)軌的液壓油通過(guò)靜壓腔的邊界流回油箱，相對(duì)不易造成堵塞；但恒壓式靜壓系統(tǒng)中的節(jié)流閥更容易被液壓油中的污染物顆粒堵塞導(dǎo)致油路不通，而造成靜壓腔缺油導(dǎo)致的靜壓腔失壓，進(jìn)一步導(dǎo)致工作臺(tái)無(wú)法浮起，造成靜壓腔面與導(dǎo)軌面發(fā)生研傷。因此靜壓系統(tǒng)液壓油必須過(guò)濾。

(3)恒流式靜壓導(dǎo)軌液壓油溫升更低。恒流式靜壓導(dǎo)軌系統(tǒng)內(nèi)的液壓油是由前置泵供給到各個(gè)靜壓腔，再由靜壓腔的邊界流回油箱形成一個(gè)循環(huán)，沒(méi)有額外的壓力損失不會(huì)產(chǎn)生額外的發(fā)熱量，導(dǎo)致額外的油溫升高；而恒壓式靜壓系統(tǒng)內(nèi)，為了保持各個(gè)靜壓腔內(nèi)的液壓油壓力恒定，進(jìn)入靜壓腔前需經(jīng)過(guò)節(jié)流器產(chǎn)生壓降和溢流閥的溢流，在此過(guò)程中產(chǎn)生的功率損失將轉(zhuǎn)化為額外的熱量被帶回油箱，從而造成額外的油溫升高。進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)床相應(yīng)結(jié)構(gòu)受熱變形，影響運(yùn)動(dòng)精度，甚至可能使靜壓導(dǎo)軌不能形成靜壓油膜間隙，影響工作臺(tái)正常工作。

基于上述原因，采用多頭泵供給各個(gè)導(dǎo)軌油腔恒定的流量，且壓力及溢流損失小，發(fā)熱量小，工作臺(tái)受熱變形小，工件切屑精度能達(dá)到較高要求。

2 恒流靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 工作臺(tái)靜壓導(dǎo)軌靜壓腔設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1.1 工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及靜壓腔總量

某型數(shù)控龍門銑是我公司引進(jìn)的國(guó)外20世紀(jì)90年代產(chǎn)品。該機(jī)床主要用于加工大體積、重量輕的焊接件。由于機(jī)床床身導(dǎo)軌與工作臺(tái)導(dǎo)軌(X軸)幾何尺寸較小的限制，靜壓腔面積較小，加上靜壓系統(tǒng)及多頭泵的輸出流量及壓力較小，因此工作臺(tái)的承載能力較低。為滿足生產(chǎn)需要，要求工作臺(tái)承載能力≥200 t(包括工作臺(tái)自重)。

該機(jī)床床身導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸：共三條導(dǎo)軌，為鋼結(jié)構(gòu)件，每條導(dǎo)軌寬度為175 mm。工作臺(tái)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸：每條導(dǎo)軌寬度175 mm，全長(zhǎng)采用注塑導(dǎo)軌，注塑厚度為4 mm，靜壓腔槽深2 mm。工作臺(tái)分為前、后工作臺(tái)，分別由三片可分離式工作臺(tái)組成，油腔數(shù)量分別為12、9、12個(gè)，則工作臺(tái)總油腔數(shù)為：(12+9+12)+(12+9+12)=66個(gè)。

2.1.2 每個(gè)靜壓油腔有效面積的計(jì)算

靜壓油腔見(jiàn)圖1，則每個(gè)油腔的有效面積為：

圖1 靜壓腔幾何圖

S=(740-60)×(175-60)=78200 mm2

2.1.3 每個(gè)靜壓油腔的壓力P0的計(jì)算

根據(jù)流體靜力學(xué)原理，外力引起的壓力P=F/A，因此P0=G0/ΣS。

式中，G0指靜壓導(dǎo)軌承受的總外負(fù)載，此時(shí)G0=2×106N；ΣS指靜壓導(dǎo)軌上所有靜壓腔的有效面積總和，此時(shí)ΣS=66 s。代入數(shù)據(jù)后，每個(gè)靜壓腔的壓力為：

P0=G0/ΣS=3.875×105Pa

取P0=4×105Pa

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取承載效率η=50%，則最終每個(gè)靜壓油腔的壓力為：P0=4/η=8×105Pa

2.2 靜壓腔流量計(jì)算

2.2.1 靜壓導(dǎo)軌工作油液的選擇及其參數(shù)確定

液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度μ隨溫度變化而變化。溫度越高液壓油粘度越低，其他條件不變的情況下，流量將變大，因此控制油溫和使用變量泵是可以采取的有效補(bǔ)充手段，但選取受溫度影響粘度變化更小的液壓油是優(yōu)先考慮的因素。通過(guò)查“液壓液粘度-溫度特性曲線圖”，發(fā)現(xiàn)石油基型液壓液油的特性曲線斜率最小，即受溫度影響變化最小，故靜壓導(dǎo)軌工作液應(yīng)選用此類液壓液。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選取N46抗磨液壓導(dǎo)軌油，粘度牌號(hào)ISOVG46(40℃)，作為靜壓導(dǎo)軌工作液。N46在40℃時(shí)的動(dòng)力粘度為：

μ=ρν=4.1×10-2Pa·s

式中，ρ為石油基型液壓油的密度，ρ=0.86～0.92 g/cm3，取平均值，ρ=0.89 g/cm3；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度范圍為(41.1～50.6)×10-6m2/s，取ν=46×10-6m2/s。

2.2.2 靜壓腔流量計(jì)算原理及單個(gè)靜壓腔流量

如圖2為平行平板縫隙示意圖。h為間隙的高度，即浮起量，此處取h=0.03 mm=0.003 cm；l為沿液體流動(dòng)方向間隙的長(zhǎng)度，如圖1，此時(shí)為靜壓腔到回油邊界的長(zhǎng)度l=600 mm；b為間隙垂直于液體流動(dòng)方向的寬度，此時(shí)為靜壓腔有效長(zhǎng)度的周長(zhǎng)，b=(680+115)×2=1590 mm；λ為節(jié)流變系數(shù)，λ=b/l=1590/60=26.5；ΔP為靜壓腔壓力通過(guò)縫隙降壓的壓力變化，此處為ΔP=P0-0=8×105Pa；μ為動(dòng)力粘度，μ=4.1×10-2Pa·s。

圖2 平行平板縫隙示意圖

靜壓腔的流量是用平行平板縫隙流量計(jì)算公式推導(dǎo)出來(lái)的，靜壓腔的流量為：

Q=ΔPh3λ/12μ

=1.163 cm3/s

=69.8 cm3/min

≈70 ml/min

3 恒流靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)方案

3.1 液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1.1 液壓系統(tǒng)原理圖

開(kāi)式恒流靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)圖見(jiàn)圖3。

1—油箱 2—粗過(guò)濾器 3—油溫控制器 4—前置泵 5—溢流閥 6—精過(guò)濾器 7—壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān) 8—多頭泵 9—靜壓腔

3.1.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

液體的粘度隨溫度的升高而降低，隨溫度的降低而升高。在系統(tǒng)中由于各種壓力損失造成的升溫和周圍環(huán)境溫度的影響，故在系統(tǒng)中加入“油溫控制系統(tǒng)3”，保證油溫控制在一個(gè)恒定值，由式Q=ΔPh3λ/12μ得到一個(gè)恒定的靜壓腔流量。

油液的清潔度要求對(duì)靜壓液壓系統(tǒng)的影響非常大，為了避免油路被異物阻塞而引起部分油腔無(wú)法形成靜壓，故在系統(tǒng)中加入濾油器，以保證系統(tǒng)油液的清潔度。在前置泵前端有“粗過(guò)濾器2”，后端有“精過(guò)濾器6”。當(dāng)系統(tǒng)需要維護(hù)時(shí)，只需清洗或更換濾芯即可，便于維護(hù)。

為保證整個(gè)系統(tǒng)能夠形成靜壓，要滿足流量平衡，即前置泵的流量≥所有多頭泵的流量總和，且前置泵供油壓力≥多頭泵吸油壓力。

各個(gè)壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)用于監(jiān)測(cè)各點(diǎn)壓力是否達(dá)到要求，可與數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成報(bào)警信號(hào)，便于查找系統(tǒng)故障。液壓系統(tǒng)中的溢流閥可將前置泵的壓力調(diào)節(jié)到系統(tǒng)需要值。

3.2 多頭泵和前置泵的選定

3.2.1 多頭泵的選定

小流量多頭泵已進(jìn)行全面改型，改型后的多頭泵各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均與國(guó)際接軌，已形成標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。最大油腔壓力為35×105Pa，每頭流量30～300 ml/min，頭數(shù)2～24，可供用戶任意選擇。

該靜壓系統(tǒng)可以保證每個(gè)靜壓腔均至少獲得一個(gè)單獨(dú)的泵頭，在自身承壓范圍內(nèi)形成持續(xù)不斷的流量供給，并形成靜壓油膜間隙，過(guò)載能力強(qiáng)。該系統(tǒng)中沒(méi)有節(jié)流阻尼件，不易受液壓油污染阻塞引起油路不通，避免了靜壓腔缺油導(dǎo)致的無(wú)浮起量導(dǎo)軌研傷，靜壓穩(wěn)定性更高。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的各油腔的負(fù)載情況，結(jié)合本體剛度，調(diào)整油腔面積及節(jié)流尺寸，使系統(tǒng)的各油腔流量基本一致。個(gè)別油腔的流量大時(shí)，可用兩個(gè)或兩個(gè)以上的頭并聯(lián)供油。本油泵適用20～500 mm2/s的機(jī)械油。輸入多頭泵的油過(guò)濾精度為20 μm。

由Q=ΔPh3λ/12μ計(jì)算出油腔流量Q=70 ml/min，一共有66個(gè)油腔，按要求油腔壓力P0≥8×105Pa。選型多頭泵為SM-12×100，系統(tǒng)共需6臺(tái)，多出的頭數(shù)可以根據(jù)實(shí)際浮起量在未浮起的地方多接一個(gè)頭，或做其它位置的潤(rùn)滑用。多頭泵到靜壓腔采用?6 mm×1 mm鋼絲編織樹(shù)脂尼龍管，抗壓強(qiáng)度16 MPa。

該型多頭泵，出油頭數(shù)12，每頭流量Qs=100 ml/min≥70 ml/min，油腔壓力35×105Pa≥8×105Pa，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 前置泵的選定

前置泵的流量要滿足≥6臺(tái)多頭泵流量總和，且前置泵的供油壓力要滿足≥SM-12×100多頭泵的進(jìn)油壓力30 MPa。

多頭泵流量Q=12×100 ml/min=1.2 L/min，則：

則前置泵的選擇只要滿足流量Q≥7.2 L/min，輸出壓力P≥30 MPa即可。

4 結(jié)語(yǔ)

從靜壓導(dǎo)軌的工作原理分析得出了恒流靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)越性。通過(guò)舉例，給出了恒流靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及理論計(jì)算過(guò)程。并且在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，展示了恒流靜壓導(dǎo)軌液壓系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，完成了恒流靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。因?yàn)殪o壓腔與導(dǎo)軌之間的油膜間隙隨外部載荷增大而變小時(shí)，由于靜壓腔內(nèi)恒定的流量輸出使腔內(nèi)油壓上升直至與外部載荷重新平衡。在一定范圍內(nèi)，由于液體的不可壓縮性以及恒定的流量輸入使油膜間隙具有較高剛度，隨外部載荷變化影響很小。因此采用恒流靜壓導(dǎo)軌工作臺(tái)不僅能使工作臺(tái)獲得更高的承載能力，還能獲得更好的加工質(zhì)量。