重型立車工作臺(tái)導(dǎo)軌油膜厚度控制方案研究

何 濤 李宗錦 劉津津

(上海三一精機(jī)有限公司研究院，上海 201200)

機(jī)床工作臺(tái)是立式車床的主要部件之一，為滿足當(dāng)前重型立車大載荷、高精度的要求，工作臺(tái)導(dǎo)軌一般采用恒流式靜壓導(dǎo)軌，通過(guò)精密齒輪分油器向各個(gè)油腔等量供油。雖然恒流靜壓供油方式的剛度較好，但由于載荷的跨度較大，工作臺(tái)浮升即油膜厚度隨載荷變化仍然變化較大。以我司6.3 m立車為例，工作臺(tái)自重39.5 t，工件重量從0～100 t不等，定量供油時(shí)空載運(yùn)行和滿載運(yùn)行的油膜厚度相差約0.05 mm，顯然不能滿足要求。因此，在工程實(shí)際運(yùn)用中，尋求一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的控制方式，使不同載荷下油膜厚度始終保持近似不變(或在最佳范圍內(nèi))，進(jìn)而提高機(jī)床的工作性能，是十分必要的。

1 油膜厚度的影響因素

數(shù)控立式車床工作臺(tái)一般采用的是開(kāi)式圓導(dǎo)軌，主要承受工作臺(tái)自重和工件重量。對(duì)于圓導(dǎo)軌，由于其直徑相對(duì)于油腔的徑向?qū)挾群艽?，油腔?shù)目又比較多，所以可把扇形油墊簡(jiǎn)化為矩形油墊，如圖1所示。

單油墊的有效面積Ae為

式中:R1、R1、R1、R1、φ1、φ2為扇形油墊的徑向長(zhǎng)度和周向角度，L、l、B、b為矩形油墊的長(zhǎng)度和寬度，且有:L=(R1+R4)φ2;B=R4－R1;l=(R2+R3)φ1;b=R3－ R2。

油泵輸出的油充滿了油腔，并經(jīng)封油邊(克服出油液阻)而流出，油壓由p降為零。在一定的供油量下，且油液粘度已知時(shí)，油膜厚度h為

式中:μ為油液粘度;p為油腔壓力;Q為供油流量。

由式(2)可知，當(dāng)油墊尺寸確定后，油膜厚度的影響因素主要為油液粘度、供油流量和油腔壓力。當(dāng)工作臺(tái)以一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生剪切發(fā)熱，導(dǎo)致油液粘度下降;另外由于工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)會(huì)甩出一定油液，流量也會(huì)減少。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油膜厚度會(huì)下降得很多，甚至導(dǎo)致工作臺(tái)浮不起來(lái)。對(duì)此可在供油系統(tǒng)中加入冷卻裝置，降低發(fā)熱，使粘度大致保持在常值;在不以極限轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，供油流量也可視為常值。所以，油膜厚度可視為只隨油腔壓力即載荷變化而變化。

2 油膜厚度控制方案的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 流量分檔的思想

油膜厚度直接影響油膜剛度和承載能力:油膜厚度過(guò)高，剛度下降;厚度過(guò)低，承載能力下降。設(shè)計(jì)時(shí)一般要使?jié)M載時(shí)能保持完全的液體潤(rùn)滑且剛度較大，而空載時(shí)的剛度又不要下降過(guò)多，使油膜厚度始終在此最佳范圍內(nèi)變動(dòng)。當(dāng)車床的加工直徑、承載、導(dǎo)軌平面度等確定后，按經(jīng)驗(yàn)可選取空載油膜厚度h0及最大厚度變化值Δh。

當(dāng)載荷加大時(shí)，油膜厚度變化可能超過(guò)Δh，由式(2)可知，此時(shí)可通過(guò)加大流量Q來(lái)保證油膜厚度不變或減小厚度變化的程度。對(duì)于載荷跨度變化較大的情況，流量可隨載荷進(jìn)行分檔。在某一載荷檔位下，供油流量恒定，并能保證在此檔位下最小載荷時(shí)油膜厚度近似等于空載油膜厚度h0，最大載荷下油膜厚度與h0的差值不超過(guò)最大厚度變化值Δh，最終保證在整個(gè)載荷跨度中都能滿足此條件。

由于恒流靜壓供油方式一般采用定量泵供油，故可通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)所需的供油流量，進(jìn)而保證油膜厚度在最佳范圍內(nèi)變化。

2.2 具體實(shí)現(xiàn)方案

以筆者公司6.3 m立車為例，說(shuō)明具體實(shí)現(xiàn)方法。圖2為其工作臺(tái)靜壓供油系統(tǒng)的液壓原理圖。變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)變頻器改變其頻率及轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變油泵的輸出流量。雙聯(lián)泵通過(guò)高過(guò)濾精度的雙筒濾油器(堵塞時(shí)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)不停機(jī))為2個(gè)精密的10頭等量齒輪分油器供油，齒輪分油器的每個(gè)頭與靜壓導(dǎo)軌的油腔一一對(duì)應(yīng)。供油系統(tǒng)的油箱上有液位、溫度、流量等各種報(bào)警保護(hù)裝置，另外工作臺(tái)導(dǎo)軌上也安置了溫度檢測(cè)裝置和位移檢測(cè)裝置，在報(bào)警時(shí)停車，以確保工作臺(tái)安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3為變頻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按噸位分檔的電氣控制原理圖。變頻器的輸出頻率由輸入電壓控制，而輸入電壓的變化通過(guò)固定電阻RP1與可調(diào)電阻RP2—RP5所串聯(lián)的電路實(shí)現(xiàn)。RP2—RP5與按載荷分檔的4個(gè)檔位一一對(duì)應(yīng)，需要實(shí)現(xiàn)哪個(gè)檔位，就使與可調(diào)電阻對(duì)應(yīng)的繼電器開(kāi)關(guān)閉合接入電路即可。當(dāng)某一載荷檔位內(nèi)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速得到的油膜厚度不滿足要求，還可以微調(diào)對(duì)應(yīng)的可調(diào)電阻。

2.3 結(jié)果分析

表1為6.3 m立車的已知參數(shù)，按上述方法進(jìn)行控制，由已知參數(shù)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，得出具體分檔情況。表2為計(jì)算得出的參數(shù)。

表1 已知參數(shù)

由表2知，在各個(gè)噸位下的油膜厚度均在要求的范圍內(nèi)變動(dòng)，可確保工作臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果增加檔位，油膜厚度變化范圍會(huì)更小。如圖4、圖5分別為100 t載荷分為4檔和8檔時(shí)油膜厚度隨載荷的變化情況?？煽闯?，8檔下浮升變化量可以控制在0.01 mm以內(nèi)。

表2 計(jì)算參數(shù)

3 推廣與變化

3.1 分檔方式的變化

由以上可以看出，分檔的實(shí)現(xiàn)是在保證油膜厚度在最佳范圍內(nèi)變化的前提下，計(jì)算得到各個(gè)檔位下的供油流量，最后通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)所需的供油流量。對(duì)于不同加工直徑的立車，承載能力有所不同，分檔形式也可靈活變化。如對(duì)于5 m立車，最大承載63 t，可選擇三速電動(dòng)機(jī)將流量分為三檔，這樣就省去了變頻器及其控制環(huán)節(jié)，大大節(jié)省了成本。而對(duì)于10 m立車，由于載荷檔位較多，可利用多速電動(dòng)機(jī)與變頻電動(dòng)機(jī)組合，多速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檔位匹配，變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行微調(diào)，這樣選擇的變頻電機(jī)功率較小，也在一定程度上節(jié)省了成本。

3.2 控制方式的變化

分檔控制方式實(shí)際上是一種離散式的控制方法，圖6為一種油膜厚度隨載荷實(shí)時(shí)變化的連續(xù)式閉環(huán)控制方法。該閉環(huán)控制方案由位移傳感器構(gòu)成的油膜厚度反饋環(huán)和由速度傳感器構(gòu)成的轉(zhuǎn)速反饋環(huán)組成。油膜厚度反饋環(huán)用于精確調(diào)節(jié)油膜厚度，轉(zhuǎn)速反饋環(huán)用于精確轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。但如前文所述，油膜厚度并不是載荷的唯一函數(shù)，它還受粘度等的影響，以及調(diào)節(jié)的滯后效應(yīng)，該控制方式的實(shí)際意義并不大，且增加了傳感器等調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，增加了成本，故一般只用于實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于流量分檔思想的油膜厚度控制方案，并將其成功運(yùn)用于立式車床。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，工作臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)際油膜厚度與理論計(jì)算值基本相同，在不同載荷及轉(zhuǎn)速下，端徑跳均在0.05 mm以內(nèi)，性能穩(wěn)定，加工精度高。

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