液体静压导轨

2024-09-13

液体静压导轨（精选6篇）

液体静压导轨篇1

1 引言

液体静压导轨在各种大型机床、数控机床、精密机床的工作台上已经有了较好的应用。良好的吸振性、使用寿命长、摩擦小无爬行、精度保持性好等诸多优点，使其在重型、大型精密机床上作用突出。随着对数控机床(尤其是重、大型数控加工中心)加工精度及承载能力要求的不断提高，液体静压导轨的应用将越来越广泛。

2 定量供油开式静压导轨工作原理

液体静压导轨一般在导轨上均布多个形状相同的油腔，确保在整个行程中都能正常工作。压力液体进入导轨工作腔将工作台浮起，形成一层油膜，两导轨面间由液体隔绝开，实现导轨之间的纯液体摩擦。

定量供油开式液体静压导轨工作过程为 (图1) :启动电机3, 电机驱动油泵4供油, 压力油从油箱1经过粗滤油器2及精滤油器5向进油口6进入油腔7, 油腔压力升高至平衡工作台8后, 工作台浮起, 静压导轨上、下表面间油膜厚度为h。

1.油箱2.粗滤油器3.电机4.油泵5.精滤油器6.进油口7.油腔8.平衡工作台

3 环形导轨油膜厚度计算

在大型机床上，由于各方面参数都较大，因此这里计算过程中忽略导轨面间液体摩擦损失及由于液体温度变化形成的压力损失。

设在环形导轨上有n个油腔，则油腔压力与总载荷的关系为：W=npA0 (1)式中，W-静压导轨总载荷，包括工作台自重、工件重量及最大向下轴向力;p-油腔压力;A0-单个油腔有效承载面积。

对于环形液体静压导轨，由于其直径与油腔的径向宽度之比大，油腔数目多，把导轨划分为多个近似于矩形的扇形油腔，故将单个扇形油腔简化为矩形油腔，如图2所示。

简化后油腔的有效承载面积为：

式中各参数(其中β为弧度值)近似为：D=(R1+R4)β，d=(R2+R3) β, B=R4-R1, b=R3-R2。

单个油腔液体压力分布如图3。油腔内液体压力均匀分布，油腔距周边范围，液体压力近似按直线变化。近油腔处压力与油腔内压力一致，边缘压力与大气压力相同。即压力油克服油腔的出油阻力溢出，油压降至零。

单个油腔流量公式为：

式中，μ-油膜的粘度;p-油腔压力;R-导轨间隙液阻，其值为R=3μ/[h3 (b/(D-d)+d/(B-b)]。

继而得到在定量供油系统下油膜厚度计算公式：

4 油膜刚度分析

导轨上单个油腔的承载能力为：

式中，C=3 (D2-d2) (B2-b2)/{4[d (D-d)+b (B-b)]}(6)

单个油腔的油膜刚度J0为：

整个导轨在总载荷W作用下的油膜刚度J为：

5 结语

由上可知，在开式定量供油静压导轨中，外载荷决定油膜厚度，当外载荷增加时，油腔压力随之增加，油膜厚度相应地减小;此外，当油膜粘度降低时，油膜刚度随之降低，油膜厚度也相应减小。同时为保证静压导轨正常工作，设计时应首先计算出油膜最小厚度值，保证导轨始终处于液体润滑状态。目前国内外大型机床上，采用开式定量式供油的静压导轨，空载油膜厚度一般不小于0.03mm，且满载时的油膜厚度不少于空载时的2/3，否则当满载油膜过薄时，可能使导轨面产生直接接触式磨损，影响导轨的使用寿命及精度。

参考文献

[1]王东锋.液体静压导轨及其在机床导轨设计中的应用研究[J].液压气动与密封, 2003 (10) :26-28.

[2]胡竞湘.1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制[J].机床与液压, 1998 (10) :69-70.

[3]迟伟.液体静压浮动导轨[J].机械工程师, 1999 (8) :16-17.

[4]朱明东, 等.恒流供油式静压导轨在重型机床上的应用[J].制造技术与机床, 1995 (5) :11-12.

[5]张晓彤.开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2007.

液体静压导轨篇2

液体静压导轨在大型机床、重型机床、数控机床及精密机床上得到了广泛的应用, 其优点在于摩擦系数低、不爬行、运行平稳、工作寿命长等。在静压导轨设计中, 承载能力和油膜刚度是两个最重要的性能指标, 直接影响整机性能。

本文主要研究液体静压导轨在大型精密卧式加工中心转台上的应用, 机床运行时由于转台直径较大, 偏载工况较多, 因此宜采用闭式液体静压方式, 但闭式液体静压方式在生产、制造等诸多环节不易满足, 因此采用一种改进型的开式液体静压方式, 即在开式液体静压方式的基础上增加液压夹紧装置, 限制转台摆动达到类似闭式液体静压的效果。这样既可以降低转台摆动, 又能降低转台在作业时上下浮动问题。

在供油方式的选择上, 由于采用定压供油式静压导轨, 易使油温升高, 机床产生热变形, 降低机床精度, 甚至使静压导轨不能正常工作, 不利于机床精度的维持, 因此采用恒定流量式供油。

2 静压导轨的工作原理

1.油箱2.粗滤油器3.电动机4.油泵5.精滤油器6.油垫7.转台8.进油孔9.液压夹紧器

液体静压导轨中各独立的承载部分被称为油垫, 油垫由油腔、封油边和进油孔所组成。开式液体静压导轨有多个油垫, 每个油垫的供油方式、工作原理都相同。

开式液体静压导轨的定量供油系统结构如图1所示。

定量供油液体静压导轨工作原理为:电动机3带动油泵4开始供油, 油泵4将油从油箱1中抽出, 经粗滤油器2和精滤油器5向进油口8供油, 当油垫产生足够的压力平衡转台7及其以上重量时, 支承的上表面被浮起, 多余的油液经封油边流回油箱1。当转台7上放置工件时, 油膜厚度减小, 导轨面间的油液外流液阻增大, 但由于定量供油的流量不变, 故油垫压力升高, 从而使工作台处于新的平衡状态。当转台处于浮起状态下平衡时, 由液压夹紧器9将转台夹紧, 进入切削加工阶段, 此时的转台大大减少了由于切削对其上下浮动的影响, 从而提高了加工精度, 保证了加工质量。

3 油垫压力计算

大型卧式加工中心的液体静压导轨, 空载时主要承受工作台的重力GT和工件重力GJ (最大向下切削力相对于静压转台的自重及工件重量较小且由平衡夹紧器平衡, 所以忽略不计) , 设在转台上有n个相同油垫, 则空载时单个油垫的载荷为:

式中, P0为空载时油垫压力;Ad为单个油垫有效承载面积。

满载时单个油垫载荷为:

式中, Pz为满载时油垫压力。

图2为单个油垫承载面积图, 图中有剖面线区域为有效承载区。

单油垫的有效面积为:

空载时由式 (1) 得出供油压力为:

满载时由式 (2) 得出供油压力为:

4 承载能力计算

油泵输出的压力油充满油垫, 并经封油边流出, 油压由p降为零, 油膜粘度已知, 单油垫的流量为:

式中, K为油膜阻力系数 (与有效承载面积有关) ;u为油膜的粘度;p为油垫压力。

油膜厚度h与油腔压力p及流量Q的关系为:

因此可以看出, 在保持油膜厚度不变的情况下, 初设流量Q越大, 则油垫压力越大, 静压导轨支撑能力越大。

同时在选定一定流量Q后, 设满载情况下工作台比空载下降距离e1, 则有:

由式 (4) 、 (5) 得出:

为达到足够的支撑压力, 油膜厚度应尽量小, 但受导轨制造精度等因素的限制, 油膜厚度不能太小, 否则会造成油膜厚度过薄而产生不均匀接触。根据实际情况, 按照满载时油膜厚度的变化量不超过空载油膜厚度的2/3为原则, 即:e1≤2h0/3

由式 (8) 、 (9) 得出pz≤27p0

由式 (4) 、 (5) 得出工件重力与转台重力之间的关系:

5 结语

从以上分析可知, 大型机床的液体静压导轨的承载能力与液压泵站的供应流量有直接关系, 增大转台承载能力, 则相应地需要增大液压供给的流量;同时机床的最大承载重量与转台自身重量相关。以上两点在设计过程中如采用横流量供油方式, 确定转台的承载能力时应给予充分考虑。

参考文献

[1]王东锋.液体静压导轨及其在机床导轨设计中的应用研究[J].液压气动与密封, 2003 (10) :26-28.

[2]胡竞湘.1.6米圆台立式磨床采用恒流静压导轨的研制[J].机床与液压, 1998 (10) :69-70.

液体静压导轨篇3

超大规格重型数控机床都是在“十二五”初期陆续安装投入使用的, 已使用5 年以上。尤其是超大规格重型数控龙门铣镗床自投入生产以来, 解决了许多百吨以上工件的加工, 为国内国外成套重大技术装备的制造提供了坚实的加工保障。但该批重型机床因本身设计制造、地基、使用等因素, 开始出现这样那样的故障。对生产期间出现的问题如何有效维修改造, 已经是一个重大的问题。以数控桥式双龙门镗铣床XKAU2890×300 (图1) 为例, 探讨这类超大规格重型数控机床修理改造。

XKAU2890×300 为5 坐标联动数控桥式双龙门镗铣床, 总体布局是在龙门框架的横梁上配置一多功能大功率垂直滑枕镗铣头, 龙门架移动的多坐标联动数控机床 (图1) 。最大加工尺寸 (长×宽×高) :动梁24 000×8000×8100 mm, 定梁16 000×8000×2900 mm;工作台面积 (宽×长) :8000×24 000+8000×16 000 mm;最大承重:20 000 kg/m。主要用于重型、超重型基础零件的加工, 特别适用于零件本身重量大, 工件长度较长的各种平面、曲面、空间曲面和孔的数控加工。可以在工件一次装夹中按给定的程序自动连续完成5 个面上的铣、镗、钻、扩孔、铰孔、攻丝等多工序多工位的加工。机床对于单件小批生产的复杂、大型的零件和框架, 能在一次装夹过程中高效、高精度地完成上述各种加工。

1 定梁故障报警

机床床身是由优质铸铁铸造而成, 左右各一条, 每条床身导轨为双矩形开式静压导轨。在床身导轨两侧设有挡油板, 静压油由床身两端和床身中部返回到机床的供油箱。该机床动、定梁各有左右两个滑座, 均采用高强度铸铁, 有合理的结构, 具有足够的刚性。滑下部有2 条与床身导轨相对应的矩形导轨, 在其导轨面上开有静压油腔, 为开式静压导轨结构, 多头泵供油形式为一泵一腔, 流量均匀。机床使用要求要定期检查床身精度, 以保证床身滑座之间静压导轨精度稳定。由于公司近5 年来生产任务繁重, 机床负荷严重超载, 没有检查调整床身精度。2015 年8月, 定梁 (图2) 卡死不能移动, 产生故障报警, 必须停机修理。

机床在以400 mm/min的速度插补加工R150+R50 时, 产生故障报警, 龙门架无法移动。拆开导轨防护罩和横梁护板, 发现3 种异常情况。

(1) 右导轨1 中段出现研伤面 (图3) , 最大深约2 mm, 宽10 mm, 长10 m。

(2) 右导轨面润滑液中出现大量黑色铁屑粉末。

(3) 右滑座中段静压面 (与右导轨1 贴合面) 出现研伤 (图4) , 深2 mm, 宽10 mm, 长4.5 m。

2 故障原因分析

根据现场情况, 经设备维护、技术、管理等有关专家认真分析故障原因, 认为有4 点。

(1) 龙门架立柱与滑板连接处接触面积小, 滑板中部局部压强大, 滑板两端变形上翘;滑板液压结构不合理, 每处导轨仅一处压力控制, 滑板变形后静压油从两端溢出, 中部静压压力不足, 滑板与导轨接触摩擦。拆修检查时研伤出现在该部位, 且中部未研伤部位也出现摩擦亮带。

(2) 机床主轴多处于定梁右立柱处进行加工, 导致右立柱负荷较大, 致使右滑座与右导轨之间的静压油膜厚度不够, 最终滑座和导轨直接接触, 划伤导轨。

(3) 插补加工R150+R50 时, 龙门架以400 mm/min的速度反复在短区域内频繁移动, 加快了研伤速度。

(4) 机床使用过程中, 液压油的使用维护不当, 没有定期更换滤芯, 导致液压系统油品变差, 液压油中颗粒物浓度增大, 颗粒物研伤导轨平面。观察床身导轨间漫回油和镶条不接触位置, 均有油污沉淀, 因流速低, 未能全部回到油箱过滤。

3 故障处置方案

(1) 对右导轨1 研伤面、右滑座中段静压腔研伤部位进行焊接、刮研修复。右导轨和右滑座的材料为高强度铸铁材料, 用308 纯镍焊条 (Z308) 焊接。右滑座静压腔研伤面采用氩弧焊, 右导轨1 修复面较长, 采用手工电弧焊。

焊接时首先对研伤面进行清洗, 清洗步骤: (1) 使用煤油清洗, 保证去除焊接面上的污渍; (2) 擦干煤油, 用酒精去油渍; (3) 用纱布吸干表面。其次, 焊接前要对焊接处及焊条进行火烤预热, 预热温度为150 ℃;采用分层间断焊, 每次作业长度100 mm, 焊厚高于周边3 mm; (图5) 。为减小焊接修复处骤冷产生裂纹, 对焊修部进行保温缓冷, 采用火焰加热或者电加热将焊修区域加热至200 ~250℃, 盖隔热保温棉保温2 h达到缓冷效果。

焊接完成后, 对焊接面进行刮研修复。导轨1 没有机加工焊疤的条件, 使用抛光机进行手工抛磨。右滑座已经吊装出, 对右滑座焊疤铣削加工。焊疤留0.5 mm厚的刮研量, 然后进行精密研磨, 要求最终表面粗糙度达到Ra1.6, 焊修面平面度≤0.01 mm。

(2) 对左、右导轨静压液压系统进行改造, 保证左、右立柱在高负荷下静压油膜的厚度。导轨静压由于长时间的高强度加工, 油泵老化, 通过对导轨、滑座损坏情况的分析, 导轨静压油膜厚度不足, 已经无法满足静压浮起的要求, 是导致导轨损坏的主要原因。要根除该故障, 需对原左、右导轨静压液压系统进行改造。

原右静压系统导轨静压蜗杆液压装置, 右滑座有16 个静压腔, 每边8 个静压腔, 单边8 个静压腔通过10 头多头泵提供恒流静压, 即采用2 个10 头多头泵给16 个静压腔提供静压。

基于对原导轨静压系统做较小的改动, 我们对右静压油路进行设计, 采用与原恒流静压系统并联恒流系统的方法进行改造;不改变原静压回路且不改变静压回路总流量, 只补偿由泵老化造成的压力损失, 提高油膜刚度。对原2 个10 头多头泵所在主油路并1 个10 头多头泵, 总静压流量不变。新的10 头多头泵采用单边中段各并联布置4 个油路, 多出2 路直接回油。

4 导轨静压液压系统浮起量测量方法

清洗右导轨, 启动右导轨静压泵, 测量右滑座原静压浮起量。测量导轨静压浮起时, 采用6 块千分表测量浮起, 千分表沿滑座两侧均匀布置 (图6) 。

将12 块千分表按图7 方式布置完成后, 将千分表对零, 并将主轴箱的位置开到横梁中段使主轴箱重量均匀布置在两个滑座上, 启动两边导轨静压泵, 记录见表1 中数据。

依照上述方法对导轨滑板浮起量进行测量, 维修前浮起量测量数据见表1, 维修后浮起量测量数据见表2。

5 浮起量测量数据分析

根据改造前浮起量测量数据表1 中数据可以得出4 条结论。

(1) 右导轨静压油膜刚度较低, 且右滑座中段静压腔静压油膜完全失效。

(2) 由于主轴箱长期处在靠近右立柱位置, 导致右导轨静压性能较左导轨静压差。

(3) 左、右浮起量测得数据显示, 靠近立柱位置浮起量较低, 滑座的刚性变形对浮起量有影响。

(4) 需要对左、右导轨静压系统进行改造, 在导轨静压改造时静压油路设在滑座中段位置的静压腔。

将改造后浮起量测量数据表2 中数据和表1 中数据进行对比可以得到3 条结论。

(1) 通过两导轨静压系统改造, 两导轨浮起量一致性提高。

(2) 通过两滑座静压腔添加静压油路, 滑座中段静压浮起量一致性提高。

(3) 对左、右两导轨的静压系统改造, 使两导轨静压浮性能显著提高。

以上结论表明, 对XKAU2890×300 龙门镗铣床导轨静压系统改造达到预期效果, 改造后静压油膜稳定, 滑座浮起效果明显改善。

6 清洁液压系统并更换干净液压油

为确保机床液压系统正常, 清洗油箱和所有油路, 更换精滤芯、清洗粗滤芯。对现有油品按“设备在用润滑油化验取样方法”抽取油样化验, 不合格的更换成干净液压油。

液体静压导轨篇4

静压气浮导轨由气浮块和导轨等组件组成。在导轨移动过程中, 气浮块与导轨之间存在着由压缩气体流动形成的气体润滑膜, 此润滑膜的存在, 使得气浮块与导轨面不直接接触, 减小了导轨的摩擦力, 因此广泛应用于精密机床、测量机等精密机械。文献[1]对由于供气压力波动等外部原因引起静压气浮导轨产生的振动进行了研究。文献[2]对静压气浮导轨静态性能进行了分析。文献[3,4]对静压气浮轴承的设计方法进行了分析与研究。文献[5]对表面复合节流方式的静压导轨建立了一维流动数学模型。基于静压气浮导轨零摩擦的传统观念, 以上文献对静压气浮导轨 (或气浮轴承) 的特性以及设计方法进行了研究。对于气浮导轨摩擦力的研究一直被忽略, 但是随着机械装备的高速化发展, 摩擦力对气浮导轨的影响逐渐引起关注。本文以气浮块底部气膜为研究对象, 对高速运行条件下气体分布和受力情况进行分析, 获得静压导轨的摩擦力与其影响因素之间的关系, 通过实例仿真, 验证了摩擦力对三坐标测量机运动速度精度的影响, 为进一步提高测量机精度提供了理论基础。

1 气浮块气体流速

所作假设同文献[6], 以气浮块底部中心为坐标原点, 建立如图1所示直角坐标系oxyz。任取气浮块底部气膜的一个微元体作为研究对象。由微元体在x方向受力分析, 得[6]

∂p/∂x=∂τ/∂z (1)

由式 (1) 可知, 剪应力τ与气浮块底部的压力p有关。

设边界条件z=0处的速度为u0, z=h处的速度为uh, 得x方向气体流速为[6]

$u = \frac{1}{2 η} \frac{\partial p}{\partial x} (z - h) z + \frac{u_{h} - u_{0}}{h} z + u_{0}$ (2)

同理, y方向气体流速为[6]

$v = \frac{1}{2 η} \frac{\partial p}{\partial y} (z - h) z + \frac{v_{h} - v_{0}}{h} z + v_{0}$ (3)

式中, η为气膜在z方向的厚度。

2 气浮块底部二维压力分布

2.1单孔矩形气浮块压力分布

如图1所示, 气浮块底部中心出气孔的半径为r2, 以出气孔中心o为原点引入圆柱坐标系, 如图2所示。根据压缩气体静态辐射假设, 由式 (2) 、式 (3) , 气体的径向速度为

$v_{s} = \sqrt{u^{2} + v^{2}} = \frac{(z - h) z}{2 η} \frac{d p}{d r}$ (4)

在气浮块底部选取一流量截面半径为r, 高度为h的圆柱面, 根据流体的连续性和等温假设, 气浮块静平衡时, 气浮块静态时的压力分布[6]为

$p^{2} = - \frac{12 η R Τ m_{r}}{π h^{3}} \ln r + c$ (5)

式中, R、T分别为气体常数与热力学温度;mr为单位时间内流过半径为r的截面气体的质量;c为待定系数。

根据边界条件, 当截面半径r等于气浮块底部最大圆半径r1时, 压力p为大气压p1;当半径r等于出气孔半径r2时, 压力p为供气压力p2, 代入式 (5) , 单孔矩形静压气浮块的二维压力分布方程为

$p^{2} = p_{2}^{2} + \frac{(p_{2}^{2} - p_{1}^{2})}{(l n r_{1} - l n r_{2})} [\ln r_{2} - \frac{1}{2} \ln (x^{2} + y^{2})] (6)$

2.2多孔矩形气浮块压力分布

多孔矩形静压气浮块气孔分布如图3所示, 为表述方便, 将气浮块底部分为两部分。该气浮块底部有4个出气孔 (出口压力均为p2) , 孔通过封闭的狭槽连通, 气浮块底部形成封闭区域Ⅰ及区域Ⅱ。对于区域Ⅱ, 可将狭槽的每一小段看成是一小孔, 这样狭槽就可以看成由多个无限接近的小孔的串连, 单个狭槽小段的气体压力分布符合式 (6) (边界条件不同) 。各区域的压力分布分析如下:

(1) 区域Ⅰ是恒压区, 任意一边狭槽的气体不可能逾越恒压区作用于其他3个边所在区域。

(2) 由于狭槽是对称布置的, 对于任一边狭槽而言, 出口压力均为p2, 相邻两孔相互作用力大小相等, 气体在平行于这两孔连线的方向上将处于平衡状态, 即沿平行于狭槽方向, 在气浮块静止时, 气体在此方向不会产生流动。

基于上述分析, 气浮块底部气体的流动方向如图4所示。气浮块底部与大气压临界边界如图4中虚线所示, 根据边界条件, 临界边界所围区域为压力分布区域, 临界边界外为大气压。将临界边界所围区域压力分布分成3种区域讨论:

(1) 恒压区域 (区域1) , 该区域压力p = p2。

(2) 单向流动区 (区域3、区域5、区域7、区域9) , 该区域的气体压力分布符合一维气体压力分布规律。由流量质量守恒定律, 单位时间内, 区域5、区域9流出的流量质量为

mx=∫ $_{0}^{h}$ ρ l4udz (7)

式中, l4为区域5、区域9狭槽的长度。

静态时, 将式 (2) 代入式 (7) , 得

$m_{x} = - \frac{p l_{4} h^{3}}{12 η R Τ} \frac{d p}{d x}$ (8)

对式 (8) 进行变换, 在不同区间进行积分, 有

$\int_{0}^{r_{1}} m_{x} d x = \int_{p_{2}}^{p_{1}} - \frac{p l_{4} h^{3}}{12 η R Τ} d p$ (9)

$\int_{0}^{x} m_{x} d x = \int_{p_{2}}^{p} - \frac{p l_{4} h^{3}}{12 η R Τ} d p$ (10)

由式 (9) 得

$m_{x} = \frac{l_{4} h^{3}}{24 η R Τ r_{1}} (p_{2}^{2} - p_{1}^{2})$ (11)

将式 (11) 代入式 (10) , 得到区域5或区域9内气体的静态压力分布方程为

$p^{2} = p_{2}^{2} - (p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) \frac{x}{r_{1}}$ (12)

$r_{1} = \min (\frac{l_{2} - l_{4}}{2}, \frac{l_{1} - l_{3}}{2})$

式中, l1、l2分别为气浮块的长与宽;l3、l4分别为水平方向孔的距离、垂直方向孔的距离 (图3) ;x为区域5或区域9内任意点的水平方向坐标 (以图4中区域5为例, 以区域3、区域5交界角点o1为原点, 建立直角坐标系ox1y) 。

同理, 可得区域3、区域7的气体压力分布方程为

$p^{2} = p_{2}^{2} - (p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) \frac{y}{r_{1}}$ (13)

式中, y为该区域内任意点在垂直方向的坐标。

(3) 端点角区 (图4中区域2、区域4、区域6、区域8) , 分别为区域5、区域9与区域3、区域7的交界) , 如果把端点角区看成是一段以半径为r2的圆弧孔对应的一个区域的话, 它们也遵循式 (6) , 而且端点角区域与单向流动区域交界处的压力分布是连续的。

3 静压气浮导轨摩擦力计算

静压气浮导轨在运动时, 其底部气体压力分布复杂, 无法获得其真正的状态分布。在此假设静压气浮导轨在运动时, 其底部压力分布采用静态时的压力分布方程式 (12) 、式 (13) 及式 (6) 。由于三坐标测量机、精密机床等设备使用的气浮导轨的运动只发生在一个方向上, 故本文只考虑单个方向运动时的摩擦力计算。不失一般性, 根据边界条件z = 0处气体速度与导轨面的速度为u0, z=h处气体速度与气浮块运动速度为uh, 并根据牛顿黏性定律和式 (2) , 可得运动状态下气体微元受到的剪应力 [6]:

$τ = \frac{1}{2} \frac{\partial p}{\partial x} (2 z - h) + \frac{u_{h} - u_{0}}{h}$ (14)

式 (14) 右端第一部分只与压力静态分布有关, 第二部分只与气浮块和导轨的速度有关。

3.1端点角区摩擦力计算

将区域2、区域4、区域6、区域8合并为一个半径为r1单孔的区域来考虑, 压力分布符合式 (6) , 得

$\frac{\partial p}{\partial x} = - \frac{1}{2 p} \frac{(p_{2}^{2} - p_{1}^{2})}{(l n r_{1} - l n r_{2})} \frac{x}{x^{2} + y^{2}}$ (15)

由于气浮块底部压力分布是对称的, 且式中p对x的偏导数是奇函数, 计算得该区域的摩擦力为

$F_{1} = - η A_{1} \frac{u_{h} - u_{0}}{h}$ (16)

式中, A1为端点角区气体临界边界所围区域面积。

3.2区域5与区域9的摩擦力计算

从图4可以看出, 区域5与区域9的气流方向相反, 因此区域5与区域9在式 (12) 中右端的第一部分相抵消, 因此该区域的摩擦力为

$F_{2} = - η A_{2} \frac{u_{h} - u_{0}}{h}$ (17)

式中, A2为区域5与区域9气体临界边界所围区域面积。

3.3区域3与区域7的摩擦力计算

由式 (13) 知, $\frac{\partial p}{\partial x} = 0$ , 因此, 区域3与区域7的摩擦力为

$F_{3} = - η A_{3} \frac{u_{h} - u_{0}}{h}$ (18)

式中, A3为区域3与区域7气体临界边界所围区域面积。

综上所述, 如果静压气浮导轨底部有k个气浮块, 可得静压气浮导轨在运动时受到的总摩擦力为

$F = F_{1} + F_{2} + F_{3} = - k η A \frac{u_{h} - u_{0}}{h}$ (19)

式中, A为单个气浮块底部总面积, A=A1+A2+A3。

由式 (19) 可知, 在气浮块数目确定的前提下, 由于空气运动黏度、气浮块底面面积是定值, 当供气压力、外负载保持恒定时, 气膜厚度不发生变化, 此时静压气浮导轨所受到的摩擦力与气浮块相对于导轨面的速度成正比。以某静压气浮导轨为例, 其底部有4个气浮块, 每个气浮块面积为32×10-4m2, 压缩空气供气压力0.4MPa时, 气膜厚度为10-5m, 导轨面速度u0=0, 摩擦力与气浮块运动速度uh之间的关系如图5所示。由图5看出, 随着气浮导轨运动速度的不断提高, 静压气浮导轨受到的摩擦力逐渐增大。

4 实例仿真

以某型三坐标测量机为研究对象, 该测量机的3个运动轴均采用气浮导轨。以该测量机的x轴为例进行仿真, 该轴采用直流伺服电机+无牙螺杆传动形式, 直流伺服电机选用美国CMC公司的Plateform3500系列3528有刷直流伺服电机, 其参数如下:电阻R=1.3Ω, 电感L=0.002 21H, 转动惯量JM=1.6948×10-4kg·m2, 电机内部静态摩擦转矩Mf=0.036 16N·m, 黏性摩擦系数fi=1.5107×10-4N·m/ (rad/s) , 电动势感应系数Ke=0.2499V/rad, 转矩系数Kt=0.249 73N·m/A;无牙螺杆传动中螺杆驱动器内摩擦转矩M0=0.2N·m, 传动导程为12.5mm, 螺杆直径为25mm;运动负载转换到电机轴上的转动惯量JL=18.004×10-4kg·m2。图6所示为该轴运动系统的阶跃响应曲线。从图6看出:当外负载恒定时, 给系统施加一设定的激励电压, 此时三坐标龙门架的运动速度值对应为416.7mm/s, 当不考虑气浮导轨摩擦力时, 经过0.5s后, 系统运动速度达到目标速度且稳定输出;而考虑气浮导轨摩擦力影响时, 系统运动速度无法达到设定的目标值, 运动速度稳定在415.2mm/s, 比目标速度值小1.5mm/s。气浮块摩擦力减小了系统的实际运动速度, 降低了系统的定位精度。

5 结束语

本文通过对静压气浮导轨气浮块底部气膜进行受力分析, 推导了单孔、多孔矩形气浮块底部气体的静态压力分布及静压气浮导轨的摩擦力方程。通过实例仿真分析了高速运行条件下摩擦力对三坐标测量机运动速度的影响。我们认为:在外负载、供气压力、气浮块数目和底部面积一定条件下, 气浮导轨运动速度与摩擦力之间成正比;在高速运行时, 摩擦力影响设备的实际运动速度, 降低系统的定位精度, 对精密测量和精密加工设备都有一定的影响。

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液体静压导轨篇5

1 油腔数量的确定

油腔数取值范围一般为3~20个,油腔数过多,不利于提高承载能力,且增加制造、安装、调整的困难。油腔数少,单个油腔油液流量大,温升高,承载能力波动大,工作台运转平稳性差。为了兼顾承载能力和稳定性两方面的要求,因此取中间值12个油腔。

2 油腔尺寸的确定

(1)长宽比。立车工作台导轨为圆形推力静压导轨,采用扇形油腔,其中径弧长570mm,一般取中径弧长与宽度之比为1~2,取油腔宽度为300mm。

(2)封油面宽度。一定尺寸的油腔,封油面宽度小时,有效承载面积增大,摩擦面积和功耗减小,流量增多,温升降低,但泵秏增大。封油面宽度大则相反。一般设计原则为泵耗最小原则,长度方向封油面宽度为油腔中径弧长的五分之一,570/5=114mm,取整为110mm;宽度方向封油面宽度为油腔宽度的四分之一,300/4=75mm,取整为70mm。图1为油腔实际尺寸图。

由于立车工作台导轨为圆形导轨,该导轨中径为2250,相对于油腔宽度300很大,因此可以将油腔简化为矩形油腔。简化后油腔尺寸图如图2所示。

3 设计间隙和最小油膜厚度的确定

最小油膜厚度取决于油腔尺寸、形状偏差、表面粗糙度以及偏斜量等因素,可从下列数值中取最大值。

(1)考虑油腔尺寸因素,最小油膜厚度选取数值:

hmin1>25L1/4=25×0.571/4=25×0.869=21.725μm。

(2)考虑形状偏差因素,最小油膜厚度选取数值:

hmin2>3×允许几何偏差=3×20=60μm。

(3)考虑表面粗糙度因素,最小油膜厚度选取数值:

hmin3>40Ra=40×1.6=64μm。

(4)考虑偏斜量因素,最小油膜厚度选取数值:

hmin4>2×预计偏斜值=2×25=50μm。

选以上四个数值中最大的一个为64μm做为最小油膜厚度。取最小油膜厚度为60μm。

设计间隙可由最小油膜厚度和最大位移率决定:

h0=hmin/(1-εmax)

为了保证静压导轨油膜刚度,使静压导轨始终处于正刚度状态下工作,最大位移率取值范围εmax≤0.5,取值0.4,设计间隙由上式计算如下:

h0=hmin/(1-εmax)=60/0.6=100(μm)。

4 液压系统流量设计

液压系统采用由一泵通过分流器向各油腔定量分油,属定量阀单向油垫结构。

(1)油腔流量系数

(2)有效承载面积:

(3)机床正常工作所需压力:

工作台组件自重9550kgf,最大工件重量40000kgf。

(4)工作台在最大允许浮起量时所需油腔流量:

液压油工作粘度η选用30号导轨液压油,其运动粘度为0.03Pa/S。

油腔工作流量:

考虑到流量损失,工件偏重等各种因素,流量保险系数取2-3倍,流量阀的流量取值范围为2.26L/min-3.39L/min,查阅生产厂商样本,在这个范围内定量阀的流量规格为2.7L/min,选定定量分油器流量为2.7L/min。

5 供油系统设计

供油系统的设计原理如图3所示,供油系统是工作台静压导轨的重要组成部分,是保证液压油正常压力和流量的关键,因此选用的液压元件要性能可靠,无泄漏。

供油系统工作原理:叶片泵2由油泵电机3带动,将液压油由油箱16经粗过滤器1、单向阀4、精过滤器5,后经溢流阀8、定量分油器10进入各油腔。采用溢流阀7控制调整正常油腔压力来达到规定的油膜间隙,保证供油系统在工作过程中始终不变,在供油系统中并装有压力继电器6、流量发讯器10和油膜厚度检测仪连锁控制,当供油系统低于规定的油压、流量以及工作台浮起量低于规定的最小油膜厚度时,会自动停车和不能启动,保证工作台导轨副不致在运行过程中硬性接触,从而避免工作台导轨副非正常磨损。

1.2.3.4.5.6.器;7.溢流阀;8.压力表;9.定量分油器;10.流量发讯器;11.球阀;12.回油过滤器;13.液位控制继电器;14.空气滤清器;15.液位计;16.油箱

摘要：设计一种重型立车工作台回转用导轨,采用开式静压方式,满足立车工作台回转和承重要求。

液体静压导轨篇6

液体静压导轨是在导轨各个油腔间注入静压油, 使运动部件浮起, 工作过程中外加载荷变化而油膜压力随之变化, 以其抵消外加负载变化而达到新的平衡, 并保证在任何速度 (包括静止) 下导轨处于纯液体摩擦状态。这样极大减小导轨在相对移动时克服摩擦而产生的阻力, 减小传动系统动力耗损, 并使运动部件的精度较高。

我公司根据市场需求, 自主开发研制YK73125 (最大加工齿轮直径为准1250 mm) 等大规模成型砂轮磨齿机, 但对于大型机床的运动及定位精度高要求及稳定性, 传统的直线导轨不能满足设计要求, 机床的圆工作台则用传统轴承支承, 要求轴承尺寸规格大、精度高, 则需进口, 后期产品批量生产受轴承供应商周期、价格等情况制约, 所以, 该课题组成员决定运用静压导轨和静压轴承解决相关难题。

1 静压导轨工作原理

液体静压导轨看做将运动部件的导轨分成若干个独立的支承, 由油腔、封油面构成每个独立支承。如图1所示, 来自油泵并经过滤的压力为Ps的油液经节流器节流后压力降为Pr, 进入导轨油腔, 当运动部件的重量被导轨面间产生的油压所平衡时, 运动部件 (支承件) 被浮起, 此时油液通过上下支承件的缝隙h流失, 压力差降为零。当浮起量大于导轨两个相关面的不平度时, 则形成纯液体摩擦。

液体静压导轨需保持相对运动的两个导轨面处于纯液体摩擦状态, 需保证导轨运动精度良好、足够的油膜刚度、油泵合理的消耗功率。这就要求在制造中要保证导轨的各项精度 (尺寸、几何精度等) 。

另外导轨油膜间隙不能太大, 以免导轨刚度降低, 但不能过小, 大型机床油膜间隙通常为0.03 mm以下为宜, 一般采用磨削或刮研精修导轨面, 因为能控制刮削深度 (其刮削深度可达0.005 mm) ;且接触点均匀, 每平方英寸内至少16个刮点以上。

1.油池2.进油滤油器3.油泵电机4.变量泵5.溢流阀6.粗滤油器7.精滤油器8.压力表9.节流阀10.上支承11.静压块12.下支承

2 液体静压导轨在YK73125上实施的过程

我公司YK73125成型砂轮磨齿机上运用了闭式静压导轨和静压轴承。闭式静压导轨是指导轨设置在床身的几个方向的结合面上开若干个油腔, 能使工作台从床身导轨上分离的静压导轨。

大规模成型砂轮磨齿机中主要的几个运动轴均采用静压导轨, 如:砂轮进刀 (X轴) 、砂轮走刀 (Z轴) 导轨。我们采用德国福鸟公司 (VOGEL) 的静压泵, 此泵为出口恒流泵, 出口每个点的流量一致, 从而以每个出口点供往同一组静压导轨块和静压油腔的流量是一致的, 就会形成一致的油膜压力, 导轨油碗形成承载力分担了运动部件 (工作台) 所承受的一部分载荷, 使导轨面的比压减小, 从而减小导轨面的摩擦阻力, 而每个油腔的流量一致, 所以, 理论上运动部件的浮起量也是一致的。相比直线导轨在大负载的情况下出现爬行、滞后的情况很易解决, 机床定位精度 (尤其运动精度) 大大提高。机床经过样机试造到形成商品, 已达到以下精度:X轴直线坐标定位精度0.005, 直线坐标重复定位精度0.003, 直线坐标的反向差0.002;Z轴直线坐标定位精度0.005, 直线坐标重复定位精度0.003, 直线坐标的反向差0.002。

圆工作台的定心采用了静压轴承。同样也选用德国福鸟公司 (VOGEL) 的静压泵。当静压泵工作后, 油进入油腔, 当油腔内润滑压力所形成的承载力同主轴的载荷平衡时, 工作台主轴浮起。因为选用恒流静压泵, 各油腔内压力大小分布均匀, 所以精度和稳定性高。我公司机床圆工作台 (C轴) 准960 mm圆台面端面跳动0.02, 圆工作台回转轴线的径向跳动0.006, 达到了设计要求。

根据静压技术的发展和我公司实际情况, 公司YK73125、YK7380使用了全新的恒流式导轨静压技术, 使静压导轨调试变得简单、可靠, 在提高稳定性的同时, 相比滚动直线导轨, 改善了其在大负载下容易出现爬行、滞后的情况, 从而使机床定位精度和运动精度极大的提高。

YK73125在调试中主要遇到的难题是:立柱进刀轴 (X轴) (立柱) 的浮起量不均匀, 经过仔细观察测量, 主要是由于导轨的制造精度误差、机床水平误差与立柱自身重量不均匀引起的。

YK73125成型砂轮磨齿机根据其自身特点, 不仅是一台切削机床, 而且还是一台量仪型机床, 是一台加工测量一体化的复合型机床。成型砂轮磨齿机磨削效率高, 加工精度高, 要求磨削时各轴及导轨均需要极高的刚性, 测量时又需要极高的运动精度、稳定性和灵敏性。YK73125成型砂轮磨齿机采用了恒流式静压导轨技术, 导轨没有接触性摩擦, 能长期保持制造精度, 既满足了机床极高的刚性和极高灵敏性的要求, 又保证了机床长期、稳定、可靠的工作。

恒流式静压导轨系统是指多头泵中某一个头的全流量供油给每个独立油腔, 只要油腔间压力不超出多头泵的耐压范围就可形成静压, 当某段油腔的外负载加大则油膜厚度随之减小, 导轨间的油流阻力增加;若要维持恒流, 多头泵输出压力必须能够提高, 油腔压力也会随之提高来平衡增大了的载荷。当机床负载及封油边间隙均匀时, 则导轨能被均匀浮起。因此, 恒流式静压系统比较恒压式静压系统有许多独到之处。根据YK73125成型砂轮磨齿机的结构和现场的具体情况, 恒流式静压导轨在安装调试过程中有一些应该注意的方法, 下面以YK73125成型砂轮磨齿机X轴 (进刀) 导轨为例进行说明。

2.1 静压导轨系统结构及要求

YK73125成型砂轮磨齿机X轴导轨采用封闭式恒流静压导轨, 下面承载导轨静压块长340 mm宽80 mm共6块, 上面反压导轨静压块长220 mm宽60 mm共6块, 上下面导轨静压块均匀分布。在工作状态下要求导轨浮起量不小于0.015 mm, 下面承载导轨压力不超过18kg/cm, 导向导轨静压块长220 mm宽60 mm共4块, 通过斜块调整间隙, 使导向压力为7~13 kg/cm, 多头泵头数为20个, 使用16个头, 空余4个头, 多头泵单头供油量为100 m L/min。

2.2 导轨的安装调试

首先, 床身调平, 要求导轨在垂直平面内的直线度达到0.02 mm/1000 mm, 两导轨在水平面内的平行度达到0.015 mm/1000 mm, 其次, 保证油腔工作压力的一个重要环节是静压导轨封油边的加工质量, 若封油边的质量不高, 会造成油腔静压油的流动径向阻力不均, 额外损失油腔压力, 甚至于油腔压力建立不起来。用途色法检查静压导轨封油边的要求接触面>85%, 若接触不好, 允许局部刮研, 但刮点不许太深, 刮研后将刮点用油石蘸煤油打磨平整, 减小刮研的深度, 最后导轨面用煤油清洗干净。在导轨的最终安装前, 应该将工作台垫起, 用油管将静压块和多头泵连接起来, 必须反复冲洗管路, 防止杂质进入油腔拉伤导轨面。

调试中, 立柱周围各固定一个千分表, 启动静压系统, 其读数变化值即工作台的浮起量, 其数值取决导轨上的负荷、床身导轨及上压板精度、导轨封油边的情况。

2.3 安装调试中出现的问题及解决办法

静压块与压板的总间隙量为0.02~0.06 mm。调试中, 当上压板不安装时, 立柱4个角静压浮起量为0.065 mm、0.06 mm、0.04 mm、0.035 mm, 当上压板安装后, 由于立柱重心靠前, 使得立柱前重后轻, 并且床身导轨加工精度和上压板加工精度的误差影响, 立柱4个角的浮起量为0.016 mm、0.019 mm、0.037 mm、0.03 mm, 前端2个角的浮起量偏低, 而且4个点的浮起量不均匀, 在立柱运行过程中会引起一些压力波动, 不能达到设计的要求。

要改善立柱4个点的浮起量不均匀的情况, 可通过改善上下面导轨静压块分布位置, 使立柱前承载导轨块数增加而后端承载导轨块数减少来改善立柱4个点浮起量, 但因立柱质量太大, 且已经与几个部件相结合, 管路也已经安装, 拆装非常不方便, 正好多头泵头数为20个, 已经用去了16个, 空余4个, 根据恒流式静压系统的工作原理, 导轨上负载不变, 可通过流量增加来改善浮起量, 于是在前端再接入多头泵的2个点, 使其流量增加到200 m L/min, 测量立柱4个点的浮起量为0.021 mm、0.024 mm、0.027 mm、0.025 mm, 浮起量较为均匀, 且间隙较好, 达到设计要求。

3 结语

【液体静压导轨】推荐阅读：

静压系统08-15

静压管桩基础07-23

静压桩承载力07-28