立式車(chē)床液體靜壓導(dǎo)軌的性能分析與研究

張洋

摘要：液體靜壓導(dǎo)軌是液體靜壓支承應(yīng)用的重要方面。由于具有工作壽命長(zhǎng)、摩擦系數(shù)低、速度變化和載荷變化對(duì)油膜剛度影響小、工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，液體靜壓導(dǎo)軌被廣泛應(yīng)用于精密加工機(jī)床、雷達(dá)天線(xiàn)等民用與軍用設(shè)備中。隨著對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度和效率要求的不斷提高，為了提高工作臺(tái)承載能力和性能，減少工作臺(tái)和底座問(wèn)磨損，延長(zhǎng)工作臺(tái)使用壽命，液體靜壓導(dǎo)軌在各種數(shù)控機(jī)床中（特別是重載高精度數(shù)控機(jī)床）也得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：立式車(chē)床;靜壓導(dǎo)軌;定量供油;薄膜反饋節(jié)流

1.液體靜壓支承的原理及特點(diǎn)

液體靜壓技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。隨著靜壓技術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，幾乎遍及整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)，包括儀器、冷軋機(jī)、雷達(dá)天線(xiàn)座等民用與軍工的設(shè)備上。靜壓導(dǎo)軌是靜壓技術(shù)在機(jī)床上的重要應(yīng)用。隨著靜壓導(dǎo)軌技術(shù)的不斷成熟，其在機(jī)床中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，尤其在數(shù)控機(jī)床和超精密機(jī)床上應(yīng)用更為廣泛。

1.1液體靜壓支承的原理

液體靜壓支承是借助于輸入支承工作面間的液體靜壓力來(lái)支承載荷的滑動(dòng)支承。其工作條件為純液體潤(rùn)滑。液體靜壓支承按照供油方式的不同分為如下兩種形式

（1）定壓供油式靜壓支承：僅由油腔、進(jìn)油口及四周封閉的封油面即可組成最基本的單油腔靜壓支承。由一油泵供油并且在通往油腔的油路上設(shè)置節(jié)流器。節(jié)流器起到調(diào)壓的作用，使油腔壓力隨載荷的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持油腔壓力與載荷平衡。定壓供油式靜壓支承具有成本低，易于安裝維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，但由于設(shè)有溢流閥和節(jié)流器，所以功率損耗大，油箱容易發(fā)熱。通常應(yīng)用于機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)功率小的部分。

（2）定量供油式靜壓支承：供油系統(tǒng)以恒定的流量供給油腔，油腔壓力取決于供給的流量和出油液阻。通常采用定量油泵或定量節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定流量供油。定量供油式靜壓支承具有高可靠性，低功率損耗，低溫的優(yōu)點(diǎn)。但是由于油路較長(zhǎng)，潤(rùn)滑油的壓縮性和慣性的影響就較大。定量供油式靜壓支承在大型或重型機(jī)床的靜壓軸承和靜壓導(dǎo)軌上得到廣泛的應(yīng)用。

1.2液體靜壓支承的特點(diǎn)

液體靜壓支承由于具有如下的優(yōu)點(diǎn)所以得到了廣泛應(yīng)用：

（1）速度范圍寬：液體靜壓支承的承載能力主要由支承面的結(jié)構(gòu)尺寸以及供油壓力或流量決定。因此可在極低的速度或靜止的狀態(tài)下工作;

（2）高承載能力：通過(guò)選用支承有效面積和節(jié)流器的形式，可以得到較大的承載能力和油膜剛度;

（3）較高的運(yùn)動(dòng)精度：支撐件和滑動(dòng)件被一層薄薄的油膜隔開(kāi)，減小了由于制造誤差對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的影響。因此其運(yùn)動(dòng)精度遠(yuǎn)高于滑動(dòng)支承;

（4）優(yōu)良的抗震性能：利用油膜的吸振作用，使得設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

（5）長(zhǎng)壽命長(zhǎng)：支撐件和滑動(dòng)件被一層薄薄的油膜隔開(kāi)，兩相對(duì)滑動(dòng)面不直接接觸，因而零部件的磨損損耗小。但靜壓導(dǎo)軌工作時(shí)的損耗均轉(zhuǎn)化為潤(rùn)滑油的熱能。因此為保證長(zhǎng)壽命應(yīng)有降低溫升的設(shè)計(jì)。

2.靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和基本計(jì)算

2.1?靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)

靜壓導(dǎo)軌按其結(jié)構(gòu)可分為開(kāi)式及閉式兩類(lèi)。下圖（a）為典型的開(kāi)式結(jié)構(gòu)，（b）為典型的閉式結(jié)構(gòu)。

圖2.1?靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式

開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌依靠運(yùn)動(dòng)部件的自重或外界載荷保持運(yùn)動(dòng)部件與支承件不可分離，屬于力封閉。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌只在導(dǎo)軌的一個(gè)方向上開(kāi)有油腔，且只能水平或較小傾角的位置上放置。開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌承具有受較大正向載荷的能力;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造及調(diào)整方便的特點(diǎn)。閉式靜壓導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)件，除在其運(yùn)動(dòng)方向具有一個(gè)自由度外，其余運(yùn)動(dòng)自由度都由導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)所約束，故屬于幾何封閉。閉式靜壓導(dǎo)軌可以：承受正、反向、偏載荷以及顛覆力矩，因此廣泛的應(yīng)用于立式導(dǎo)軌。

2.2?靜壓導(dǎo)軌的基本計(jì)算

本文以數(shù)控立車(chē)為設(shè)計(jì)對(duì)象，重型立車(chē)導(dǎo)軌主要承受垂直方向的力，選用了靜壓導(dǎo)軌采用靜壓圓導(dǎo)軌，并在基座導(dǎo)軌上均勻地分布幾個(gè)分隔的油腔，以適應(yīng)不同方向的抗傾覆能力。為保證良好的精度和較低的功率損耗通常應(yīng)使導(dǎo)軌面的平面度誤差小于等于?（0.3～0.5）倍的油膜厚度，中小型機(jī)床的油膜厚度為0.015mm～0.03mm;大型機(jī)床為0.03mm～0.06mm。

圖2.2?扇形油墊圖

（1）扇形油墊的流量計(jì)算：

其中q為流量，流量系數(shù)，

（2）油墊有效承載面積的計(jì)算：

（3）每個(gè)油腔承載能力計(jì)算：

（4）油膜剛度計(jì)算：

3.結(jié)論

本文已經(jīng)對(duì)靜壓導(dǎo)軌進(jìn)行了分析，得到了不同形式的靜壓導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)。定量的靜態(tài)性能的基本參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)其他機(jī)床采用靜壓導(dǎo)軌有一定的借鑒作用。但是在實(shí)際的系統(tǒng)中仍會(huì)受到其他一些不確定因素的影響，如導(dǎo)軌的加工精度、油液中溶解的空氣等，因此實(shí)際情況可能與計(jì)算仿真結(jié)果不一樣，因此靜壓導(dǎo)軌在設(shè)計(jì)完成后的安裝調(diào)試也至關(guān)重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。

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