偏載工作臺(tái)靜壓圓導(dǎo)軌相關(guān)參數(shù)分析

陳再良，劉和劍，鄧羅虹，靖聰

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021)

大型機(jī)床工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)其工作性能、承載能力、穩(wěn)定性和可靠性等有很大的影響，而工作臺(tái)的靜壓導(dǎo)軌與工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能有著密切聯(lián)系［1－2］。根據(jù)TH6918 落地鏜銑床的工作臺(tái)液壓支承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，針對(duì)偏載工況，對(duì)4 000 mm ×5 000 mm 工作臺(tái)與滑座之間的靜壓圓導(dǎo)軌部分相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，為工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與研究做好前期準(zhǔn)備。

1 液體靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的4 000 mm ×5 000 mm 工作臺(tái)的滑座與工作臺(tái)之間靜壓圓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 靜壓圓導(dǎo)軌油墊分布及油墊編號(hào)

在下支承主導(dǎo)軌處布置10 個(gè)扇形油墊，每個(gè)油墊的扇形角為36°;在上支承輔導(dǎo)軌處布置8 個(gè)扇形油墊并固定于壓板下方，每個(gè)油墊的扇形角為45°。其中E1 ～E10 代表主導(dǎo)軌，F(xiàn)1 ～F8 代表輔導(dǎo)軌。

2 承受偏載圓導(dǎo)軌的計(jì)算基礎(chǔ)

工作臺(tái)主要承載位置為圓導(dǎo)軌半徑以內(nèi)的圓形區(qū)域，主要承受載荷為來自工件的靜載荷，以及因載荷分布不均而造成的偏載［3］，如圖2 (a)所示。以含有6 個(gè)扇形油墊的圓導(dǎo)軌為例，如圖3，在力偶矩的作用下，工作臺(tái)偏轉(zhuǎn)傾角如圖2 (b)所示，各油墊的導(dǎo)軌間隙產(chǎn)生變化，為便于計(jì)算，取變化后的平均間隙為［4－5］:

式中:εM為在力偶矩M 作用下位移的最大位移率，h0為僅在G 作用下初始間隙。這時(shí)油腔1 的壓力εM下降，油腔2 和油腔6 的壓力下降，油腔4 的壓力上升，油腔3 和油腔5 的壓力上升。

圖2 受偏載作用的圓導(dǎo)軌

圖3 扇形油墊

各油腔的壓力為:

上支承由于傾覆力矩的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，油膜厚度發(fā)生變化，產(chǎn)生一個(gè)與傾覆力矩平衡的力矩，見圖4。為了簡化計(jì)算，這里假設(shè)每個(gè)油墊中油膜的剛度一樣，而且每個(gè)油墊上的反作用力與此處的位移成正比［6－7］。因圓導(dǎo)軌的半徑相對(duì)于油墊的徑向?qū)挾容^大，所以假定各油墊上反作用力的合力的作用點(diǎn)落在圓導(dǎo)軌的平均半徑上，閉式圓導(dǎo)軌的傾覆力矩M閉［8］:

式中:z主=10;p0主=1.955 MPa;Ae主=0.1 m2，為主導(dǎo)軌油墊的平均承載面積;R主=0.975 m;z輔=8;p0輔=2.5 MPa;Ae輔=0.014 m2;R輔=1.06 m;εM主為主導(dǎo)軌處的最大位移率;εM輔為輔導(dǎo)軌處的最大位移率，εM輔=1.09εM主。

圖4 各油墊承受的載荷

3 靜壓圓導(dǎo)軌偏載計(jì)算

選取3 個(gè)不同的偏載位置來分析靜壓圓導(dǎo)軌各個(gè)油腔的壓力分布情況。因?yàn)楣ぷ髋_(tái)及導(dǎo)軌左右近似對(duì)稱，這里只考慮偏載位置放在左側(cè)的情況，偏載位置在右側(cè)的情況可以對(duì)稱考慮。3 個(gè)偏載位置上施加的載荷都為滿載載荷120 ×104N，如圖5 所示。偏載位置1、2、3 分別位于偏載荷作用點(diǎn)距離工作臺(tái)中心2 000、1 500 和1 000 mm 處，且偏載位置在左側(cè)時(shí)為負(fù)，在右側(cè)時(shí)為正。

圖5 偏載位置示意圖

偏載位置1:εM主≈0.71，εM輔≈0.78;偏載位置2:εM主≈0.54，εM輔≈0.59;偏載位置3:εM主≈0.36，εM輔≈0.39。根據(jù)主、輔導(dǎo)軌油墊的偏移率以及前面求得的各個(gè)油腔在均在情況下的壓力p0，再利用式(1)和(2)可以得到，這3 個(gè)位置圓導(dǎo)軌各個(gè)油腔的壓力以及油膜厚度。整理分析計(jì)算得出的各油腔壓力及油膜厚度，可以得到靜壓圓導(dǎo)軌各油腔的壓力及油膜厚度隨偏載位置變化的曲線，如圖6 所示。

圖6 油腔壓力及油膜厚度隨偏載位置的變化曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

從圖6 可以看出:載荷距中心距離越大，在載荷位置同側(cè)的主導(dǎo)軌油腔的壓力越高，另一側(cè)的主導(dǎo)軌油腔的壓力越小，而輔導(dǎo)軌油腔的壓力變化與主導(dǎo)軌油腔的壓力變化正好相反。當(dāng)載荷距中心距離不大于1 000 mm 時(shí)(在靜壓圓導(dǎo)軌區(qū)域內(nèi))，無論是主導(dǎo)軌還是輔導(dǎo)軌其各油腔的壓力均非常平緩，在正常的壓力范圍內(nèi)變化，如圖6 (a)和(b)所示;而當(dāng)載荷距中心距離大于1 000 mm 時(shí) (在靜壓圓導(dǎo)軌區(qū)域外)，隨著偏載距離的增加油腔壓力會(huì)迅速增大，而且偏載位置同側(cè)距離偏載位置較近的油腔的壓力會(huì)超出導(dǎo)軌正常的壓力范圍，而輔導(dǎo)軌油腔壓力的變化正好相反，如圖6 (a)中的油腔E1、E2、E5、E6、E7、E10 和圖6 (b)中的油腔F1、F4、F5、F8。

由圖6 (c)和(d)可知:無論是主導(dǎo)軌還是輔導(dǎo)軌其各油腔的油膜厚度隨偏載位置變化的曲線均接近于直線，載荷距中心距離越大，偏載位置同側(cè)的主導(dǎo)軌油腔的油膜厚度越小、輔導(dǎo)軌油腔的油膜厚度越大，而另一側(cè)的主導(dǎo)軌油腔的油膜厚度越大、輔導(dǎo)軌油腔的油膜厚度越小。

5 結(jié)束語

綜合上面的分析，在加工大、重型工件時(shí)，工件的載荷中心應(yīng)盡量靠近工作臺(tái)的幾何中心，并確保載荷中心不偏出靜壓圓導(dǎo)軌的半徑區(qū)域，這樣能夠保證導(dǎo)軌各油腔的壓力及油膜厚度在正常工作范圍內(nèi);而在靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)階段，可以通過增加圓形靜壓導(dǎo)軌的半徑、油墊的數(shù)量以及各油墊的有效承載面積來提高工作臺(tái)承受偏載的能力。

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