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液体静压导轨油膜厚度的控制及理论分析

2019-06-17 13:57:54
       液体静压导轨因其摩擦系数小,在起动和停止时没有磨损,精度 保持性好等优点,目前被广范应用于航空航天设备、动力机械、军用 装备及核工业中,特别是在精密和超精密机床中的应用尤为突出,其 性能直接影响机床的加工性能。液体静压导轨所用的工作介质为液压 油,具有黏度大,阻尼特性好等特点,同时,液体静压导轨能够获得 较大的刚度和承载能力,其抗振性要明显优于气体静压导轨。在使用 中,静压导轨与动压导轨和滚动导轨相比,需要一套复杂的专用液压 设备,其维修、调整较为复杂,使用维护成本较高。
 
      液体静压导轨通常在动导轨面上均匀分布有若干个油腔,通过外 部供油系统将具有一定流量的压力油送入相对运动的导轨及油腔里, 形成具有压力的油膜层,以此平衡外载荷,同时将动导轨微微抬起, 与支撑导轨脱离接触,浮在压力油膜上,而这层油膜一般被称为静压 油膜。静压油膜很薄,其厚度仅在丝级或微米级上,在液体静压导轨 中起着吸振减振及误差均化的作用,影响液体静压导轨的运动可靠性 和运动精度,同时导轨的油膜厚度又决定了液体静压导轨的两个主要 性能指标,导轨承载能力和油膜刚度。本文以定量供油开式静压导 轨为例,从三个方面讨论分析了油膜厚度对导轨性能的影响,并通过 矢量变频调速技术对油膜厚度进行控制,使油膜厚度始终处于最优值, 为后期油膜厚度的进一步优化提供了理论依据。


1 液体静压导轨工作原理


      液体静压导轨按照不同的分类方式可分为以下四种:定压供油开 式静压导轨、定量供油开式静压导轨、定压供油闭式静压导轨和定量 供油闭式静压导轨。图 1 为定量供油开式静压导轨工作原理图。在图1 中,电机 1 带动定量泵 2 开始供油,定量泵 2 将油从油箱 6 中抽出, 经粗滤油器 7 和精滤油器 3 向进油口 4 提供压力为 流量为 的液压油, 最后由定量分油器分配给导轨各油腔。当导轨面上产生的油腔压力足 以平衡运动件的重量时,工作台上浮,当空载时在工作台自重 的作 用下,此时液体静压导轨上、下导轨面间的油膜厚度为 。为了使油 液能够循环利用,工作后剩余的油液将通过油腔中的封油边重新流回 到油箱 6 中。加载后,作用在液体静压导轨工作台上的载荷 增大,上导轨下 降一个位移 ,导轨面间的出液液阻增大,油膜厚度 减小为 ,由于定量供油方式中的流量 不变,故油腔的压力升高至 , 从而使导轨处于一个新的平衡状态,以平衡外载荷,反之亦然。

                        

2 油膜厚度的计算


       液体静压导轨通常将动导轨面分为若干段,每一段相当于一个单 独的承载区域,而这些单独的承载区域被称为油垫。油垫是由油腔、 封油边、进油孔和出油孔四部分构成,液压油从进油孔流入出油孔流 出,在油腔中形成油膜。为了计算方便,假定该液体静压导轨采用的 是圆导轨,可将其扇形油垫简化为矩形油垫,如图 2 所示。

                     


       由上式可知,在定量供油开式静压导轨中,单个油垫的有效承载 面积 是定值,流量 也是定值;液压油动力黏度 在实际工作中会随着油温的升高而降低。关于油膜厚度是否与液压油动力黏度及油温有 关,油膜厚度 与液压油动力黏度 不存在一定的函数 关系,即油膜厚度 的大小与油液温度和液压油动力黏度无关,但如 果要对油膜进行流场分析,液压油动力黏度的变化是不可忽视的。一 般来说,油温应予以控制,不能超过 50℃,最好采用恒温控制,故在 工程技术计算中 一般被认为常数。因此在不考虑其他方面因素的情 况下,油膜厚度 只与油腔压力 有关,油腔压力 的值稍有改变就会 引起油膜厚度 的剧烈变化。


3 油膜厚度对导轨性能的影响


主要从以下三个方面来进行分析。

3.1 导轨承载能力方面
     
所谓承载能力是指液体静压导轨在具有一定厚度的油膜作用下, 依靠导轨面间的油膜压力来承受外界负载的能力。可见,导轨的承载 能力是由导轨面间分布的油腔中油膜的压力大小所决定的,其值会随 油膜厚度的变化而变化。油膜厚度的存在使导轨面间不能相互接触, 无论在任何速度下始终都能保证导轨面间处于纯液体摩擦状态 , 由于 液体静压导轨的载荷与位移具有非线性关系,因此油膜厚度的大小对 承载能力的变化起到了至关重要的影响。
  导轨上单个油垫的承载能力 为:

由(4)式可看出,导轨的承载能力 不光与油膜厚度 、定量泵 流量 及导轨几何尺寸有关,还与液压油动力黏度 有关。如果只考虑 油膜厚度 对承载能力 的影响,可以发现承载能力 与油膜厚度 之 间存在一个的三次方的反比关系,即 ,导轨的承载能力 随着油 膜厚度 的增大而呈迅速下降趋势。因此在实际定量供油开式静压导 轨中油膜厚度的取值要合适,不能过大也不能过小,过大则导轨所受 外界载荷过小,而要想提高导轨外载荷就必须通过增大油腔压力来实 现,这不仅增加了能耗,还有可能使导轨间的位移误差增大,不利于 机床加工;而油膜厚度过小则有可能会使导轨间产生相互摩擦,造成 导轨面精度的下降。


3.2 导轨功率损失方面
     导轨功率损失主要分为摩擦损失和流量损失,从这两个方面来对 油膜厚度进行分析计算。
              


4 液体静压导轨油膜厚度的控制


   上面的定量供油开式静压导轨工作原理可看出,随着负载的不 断变化,油腔中的油膜厚度也将随之改变,使得油膜厚度不能始终处 于最优值或最优范围,这将严重影响导轨承载能力和油膜刚度等性能。 建立油膜厚度控制系统使油膜厚度始终处于最优值或最优范围 , 将在 很大程度上降低负载变化对导轨各项性能的影响,提高运动可靠性及 加工精度。

  由公式(2)可知,单个油垫的流量 在工作中始终保持不变,其 数值只与油腔压力 、油膜厚度 、液压油动力黏度 及油垫结构尺寸 有关。当机床型号和工作台尺寸确定下来以后,便存在一个最优油膜 厚度值,也就是预设油膜厚度值。而此时油垫结构尺寸是一定值,油 腔压力可由系统中的压力表读出,也是一个定值,液压油动力黏度又 可看作是一个常数,因此流量 便只与油膜厚度 的值有关。综上所述, 要想在实际工作中油膜厚度始终处于最优值或最优范围,就应该使流 量 变为可调。


5 结语


      油膜厚度影响着液体静压导轨的运动可靠性和运动精度,油膜厚 度的确定不仅要考虑油膜厚度对导轨承载能力和油膜刚度的影响,还 要考虑导轨的功率损失,因此在定量供油开式液体静压导轨中,油膜 厚度随外界载荷的变化一直处于波动状态。针对这种情况,提出了利 用矢量变频调速控制方法通过精确控制电动机转速来精确控制定量泵 的输出油量,从而将油膜厚度始终处于最优值或最优范围。
 


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