恒流靜壓導軌的原理分析及應用

楊 軍 陳虹先

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

關鍵字：精密數控機床；恒流靜壓導軌；導軌間隙；油膜；剛度

目前，國內外生產的大型機床為滿足極限生產而不斷增大機床規(guī)格，對機床導軌副也提出了更高要求。結合對某大型數控龍門銑工作臺的恒流靜壓改造應用，分析闡述了恒流靜壓導軌的原理，并用理論計算和實際運行情況共同證明了恒流靜壓導軌應用在大型數控機床上生產加工的優(yōu)越性。

1 靜壓導軌工作原理及恒流靜壓導軌的優(yōu)越性

1.1 靜壓導軌的工作原理及分類

靜壓導軌的原理是導軌和靜壓腔形成一個空間，該空間內由具有一定壓力的液壓油充滿，最終可以隔絕開非運動面導軌與運動面靜壓腔之間的油膜間隙，靜壓腔跟隨工作臺運動時，與導軌面產生純液體摩擦。

靜壓導軌按結構形式分為閉式和開式。閉式靜壓導軌各相向導軌面被靜壓腔包圍形成一個封閉的油膜間隙包裹導軌，因此能承載雙向載荷，保證工作臺平穩(wěn)運行；而開式靜壓導軌只在承載面與工作臺的靜壓腔形成油膜間隙，靜壓腔內的液壓油由外部油泵經節(jié)流器進入，與導軌面形成油膜間隙，使工作臺浮起，并經靜壓腔邊界流回油箱，形成一個循環(huán)平衡，保證工作臺平穩(wěn)運行。

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

1.2 恒流靜壓導軌的優(yōu)越性

相較于恒壓式靜壓導軌：

(1)恒流式靜壓導軌過載能力強。在實際運行中，由于工件結構以及裝夾方式的不同等因素，并不能保證工作臺的各個靜壓腔承受的負載一致。恒流式靜壓導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，具有更強自適應性和過載能力；而恒壓式靜壓導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，當外部負載過大時難以形成油膜間隙。

(2)恒流式靜壓導軌抗液壓油污染能力強。由于實際工況，液壓油難免被污染，且恒流式靜壓導軌的液壓油通過靜壓腔的邊界流回油箱，相對不易造成堵塞；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致油路不通，而造成靜壓腔缺油導致的靜壓腔失壓，進一步導致工作臺無法浮起，造成靜壓腔面與導軌面發(fā)生研傷。因此靜壓系統(tǒng)液壓油必須過濾。

(3)恒流式靜壓導軌液壓油溫升更低。恒流式靜壓導軌系統(tǒng)內的液壓油是由前置泵供給到各個靜壓腔，再由靜壓腔的邊界流回油箱形成一個循環(huán)，沒有額外的壓力損失不會產生額外的發(fā)熱量，導致額外的油溫升高；而恒壓式靜壓系統(tǒng)內，為了保持各個靜壓腔內的液壓油壓力恒定，進入靜壓腔前需經過節(jié)流器產生壓降和溢流閥的溢流，在此過程中產生的功率損失將轉化為額外的熱量被帶回油箱，從而造成額外的油溫升高。進一步導致機床相應結構受熱變形，影響運動精度，甚至可能使靜壓導軌不能形成靜壓油膜間隙，影響工作臺正常工作。

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

2 恒流靜壓導軌設計與計算

2.1 工作臺靜壓導軌靜壓腔設計及計算

2.1.1 工作臺導軌結構及靜壓腔總量

某型數控龍門銑是我公司引進的國外20世紀90年代產品。該機床主要用于加工大體積、重量輕的焊接件。由于機床床身導軌與工作臺導軌(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，因此工作臺的承載能力較低。為滿足生產需要，要求工作臺承載能力≥200 t(包括工作臺自重)。

該機床床身導軌結構尺寸：共三條導軌，為鋼結構件，每條導軌寬度為175 mm。工作臺導軌結構尺寸：每條導軌寬度175 mm，全長采用注塑導軌，注塑厚度為4 mm，靜壓腔槽深2 mm。工作臺分為前、后工作臺，分別由三片可分離式工作臺組成，油腔數量分別為12、9、12個，則工作臺總油腔數為：(12+9+12)+(12+9+12)=66個。

2.1.2 每個靜壓油腔有效面積的計算

靜壓油腔見圖1，則每個油腔的有效面積為：

圖1 靜壓腔幾何圖

S=(740-60)×(175-60)=78200 mm2

2.1.3 每個靜壓油腔的壓力P0的計算

根據流體靜力學原理，外力引起的壓力P=F/A，因此P0=G0/ΣS。

式中，G0指靜壓導軌承受的總外負載，此時G0=2×106N；ΣS指靜壓導軌上所有靜壓腔的有效面積總和，此時ΣS=66 s。代入數據后，每個靜壓腔的壓力為：

P0=G0/ΣS=3.875×105Pa

取P0=4×105Pa

根據經驗值取承載效率η=50%，則最終每個靜壓油腔的壓力為：P0=4/η=8×105Pa

2.2 靜壓腔流量計算

2.2.1 靜壓導軌工作油液的選擇及其參數確定

液壓油的運動粘度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。通過查“液壓液粘度-溫度特性曲線圖”，發(fā)現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，故靜壓導軌工作液應選用此類液壓液。根據經驗，選取N46抗磨液壓導軌油，粘度牌號ISOVG46(40℃)，作為靜壓導軌工作液。N46在40℃時的動力粘度為：

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為運動粘度，40℃時的運動粘度范圍為(41.1～50.6)×10-6m2/s，取ν=46×10-6m2/s。

2.2.2 靜壓腔流量計算原理及單個靜壓腔流量

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為沿液體流動方向間隙的長度，如圖1，此時為靜壓腔到回油邊界的長度l=600 mm；b為間隙垂直于液體流動方向的寬度，此時為靜壓腔有效長度的周長，b=(680+115)×2=1590 mm；λ為節(jié)流變系數，λ=b/l=1590/60=26.5；ΔP為靜壓腔壓力通過縫隙降壓的壓力變化，此處為ΔP=P0-0=8×105Pa；μ為動力粘度，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算公式推導出來的，靜壓腔的流量為：

Q=ΔPh3λ/12μ

=1.163 cm3/s

=69.8 cm3/min

≈70 ml/min

3 恒流靜壓導軌液壓系統(tǒng)方案

3.1 液壓系統(tǒng)方案設計

3.1.1 液壓系統(tǒng)原理圖

開式恒流靜壓導軌液壓系統(tǒng)圖見圖3。

1—油箱 2—粗過濾器 3—油溫控制器 4—前置泵 5—溢流閥 6—精過濾器 7—壓力檢測開關 8—多頭泵 9—靜壓腔

3.1.2 液壓系統(tǒng)設計原理

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恒定值，由式Q=ΔPh3λ/12μ得到一個恒定的靜壓腔流量。

油液的清潔度要求對靜壓液壓系統(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“粗過濾器2”，后端有“精過濾器6”。當系統(tǒng)需要維護時，只需清洗或更換濾芯即可，便于維護。

為保證整個系統(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。

各個壓力檢測開關用于監(jiān)測各點壓力是否達到要求，可與數控系統(tǒng)聯(lián)結成報警信號，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

小流量多頭泵已進行全面改型，改型后的多頭泵各項技術指標均與國際接軌，已形成標準化、通用化。最大油腔壓力為35×105Pa，每頭流量30～300 ml/min，頭數2～24，可供用戶任意選擇。

該靜壓系統(tǒng)可以保證每個靜壓腔均至少獲得一個單獨的泵頭，在自身承壓范圍內形成持續(xù)不斷的流量供給，并形成靜壓油膜間隙，過載能力強。該系統(tǒng)中沒有節(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致的無浮起量導軌研傷，靜壓穩(wěn)定性更高。設計時，根據系統(tǒng)的各油腔的負載情況，結合本體剛度，調整油腔面積及節(jié)流尺寸，使系統(tǒng)的各油腔流量基本一致。個別油腔的流量大時，可用兩個或兩個以上的頭并聯(lián)供油。本油泵適用20～500 mm2/s的機械油。輸入多頭泵的油過濾精度為20 μm。

由Q=ΔPh3λ/12μ計算出油腔流量Q=70 ml/min，一共有66個油腔，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，多出的頭數可以根據實際浮起量在未浮起的地方多接一個頭，或做其它位置的潤滑用。多頭泵到靜壓腔采用?6 mm×1 mm鋼絲編織樹脂尼龍管，抗壓強度16 MPa。

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

3.2.2 前置泵的選定

前置泵的流量要滿足≥6臺多頭泵流量總和，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 結語

從靜壓導軌的工作原理分析得出了恒流靜壓導軌的優(yōu)越性。通過舉例，給出了恒流靜壓導軌的設計及理論計算過程。并且在理論計算的基礎上，展示了恒流靜壓導軌液壓系統(tǒng)的方案設計，完成了恒流靜壓導軌的設計及應用。因為靜壓腔與導軌之間的油膜間隙隨外部載荷增大而變小時，由于靜壓腔內恒定的流量輸出使腔內油壓上升直至與外部載荷重新平衡。在一定范圍內，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軌工作臺不僅能使工作臺獲得更高的承載能力，還能獲得更好的加工質量。