重型立車工作臺導軌油膜厚度控制方案研究

何 濤 李宗錦 劉津津

(上海三一精機有限公司研究院，上海 201200)

機床工作臺是立式車床的主要部件之一，為滿足當前重型立車大載荷、高精度的要求，工作臺導軌一般采用恒流式靜壓導軌，通過精密齒輪分油器向各個油腔等量供油。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，工作臺自重39.5 t，工件重量從0～100 t不等，定量供油時空載運行和滿載運行的油膜厚度相差約0.05 mm，顯然不能滿足要求。因此，在工程實際運用中，尋求一種簡單經濟的控制方式，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)，進而提高機床的工作性能，是十分必要的。

1 油膜厚度的影響因素

數控立式車床工作臺一般采用的是開式圓導軌，主要承受工作臺自重和工件重量。對于圓導軌，由于其直徑相對于油腔的徑向寬度很大，油腔數目又比較多，所以可把扇形油墊簡化為矩形油墊，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度和周向角度，L、l、B、b為矩形油墊的長度和寬度，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，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。當工作臺以一定轉速運轉時，會產生剪切發熱，導致油液粘度下降;另外由于工作臺旋轉會甩出一定油液，流量也會減少。當長時間高轉速運轉時，油膜厚度會下降得很多，甚至導致工作臺浮不起來。對此可在供油系統中加入冷卻裝置，降低發熱，使粘度大致保持在常值;在不以極限轉速運轉時，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現

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:油膜厚度過高，剛度下降;厚度過低，承載能力下降。設計時一般要使滿載時能保持完全的液體潤滑且剛度較大，而空載時的剛度又不要下降過多，使油膜厚度始終在此最佳范圍內變動。當車床的加工直徑、承載、導軌平面度等確定后，按經驗可選取空載油膜厚度h0及最大厚度變化值Δh。

當載荷加大時，油膜厚度變化可能超過Δh，由式(2)可知，此時可通過加大流量Q來保證油膜厚度不變或減小厚度變化的程度。對于載荷跨度變化較大的情況，流量可隨載荷進行分檔。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的差值不超過最大厚度變化值Δh，最終保證在整個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，故可通過調節電動機的轉速來調節所需的供油流量，進而保證油膜厚度在最佳范圍內變化。

2.2 具體實現方案

以筆者公司6.3 m立車為例，說明具體實現方法。圖2為其工作臺靜壓供油系統的液壓原理圖。變頻電動機通過變頻器改變其頻率及轉速，進而改變油泵的輸出流量。雙聯泵通過高過濾精度的雙筒濾油器(堵塞時可連續運轉不停機)為2個精密的10頭等量齒輪分油器供油，齒輪分油器的每個頭與靜壓導軌的油腔一一對應。供油系統的油箱上有液位、溫度、流量等各種報警保護裝置，另外工作臺導軌上也安置了溫度檢測裝置和位移檢測裝置，在報警時停車，以確保工作臺安全運轉。

圖3為變頻電動機轉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固定電阻RP1與可調電阻RP2—RP5所串聯的電路實現。RP2—RP5與按載荷分檔的4個檔位一一對應，需要實現哪個檔位，就使與可調電阻對應的繼電器開關閉合接入電路即可。當某一載荷檔位內預設的轉速得到的油膜厚度不滿足要求，還可以微調對應的可調電阻。

2.3 結果分析

表1為6.3 m立車的已知參數，按上述方法進行控制，由已知參數計算相關參數，得出具體分檔情況。表2為計算得出的參數。

表1 已知參數

由表2知，在各個噸位下的油膜厚度均在要求的范圍內變動，可確保工作臺正常運轉。如果增加檔位，油膜厚度變化范圍會更小。如圖4、圖5分別為100 t載荷分為4檔和8檔時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。

表2 計算參數

3 推廣與變化

3.1 分檔方式的變化

由以上可以看出，分檔的實現是在保證油膜厚度在最佳范圍內變化的前提下，計算得到各個檔位下的供油流量，最后通過調節電動機的轉速來調節所需的供油流量。對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。如對于5 m立車，最大承載63 t，可選擇三速電動機將流量分為三檔，這樣就省去了變頻器及其控制環節，大大節省了成本。而對于10 m立車，由于載荷檔位較多，可利用多速電動機與變頻電動機組合，多速電動機進行檔位匹配，變頻電動機進行微調，這樣選擇的變頻電機功率較小，也在一定程度上節省了成本。

3.2 控制方式的變化

分檔控制方式實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時變化的連續式閉環控制方法。該閉環控制方案由位移傳感器構成的油膜厚度反饋環和由速度傳感器構成的轉速反饋環組成。油膜厚度反饋環用于精確調節油膜厚度，轉速反饋環用于精確轉速調節。但如前文所述，油膜厚度并不是載荷的唯一函數，它還受粘度等的影響，以及調節的滯后效應，該控制方式的實際意義并不大，且增加了傳感器等調節環節，增加了成本，故一般只用于實驗研究。

4 結語

本文介紹了一種基于流量分檔思想的油膜厚度控制方案，并將其成功運用于立式車床。經過試驗測試，工作臺正常運轉時，實際油膜厚度與理論計算值基本相同，在不同載荷及轉速下，端徑跳均在0.05 mm以內，性能穩定，加工精度高。

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