高精度重載靜壓中心架優化設計研究

齊重數控裝備股份有限公司 (黑龍江齊齊哈爾 161005)王偉順 陳棟梁 運同樹 吳 鵬

在加工大型軸類零件時，零件受自身的重量和長度的影響，會產生一定的撓度變形，導致主軸處于偏心旋轉狀態，從而產生切削振動，影響零件的加工精度，即使在粗加工時，撓度變形產生的影響也是不可忽略的，在這種情況下，加工軸類零件就要考慮采用輔助支撐。對于重型機床而言，一般采用靜壓中心架進行支撐。

1.靜壓中心架的特點

靜壓中心架與液體靜壓徑向軸承在設計、原理及性能等諸多方面有類似之處，具有如下的特點:

(1)摩擦阻力小。靜壓中心架為純液體潤滑，摩擦僅由壓力潤滑油層的黏性引起。潤滑油的黏性阻力遠遠小于干摩擦、半干摩擦產生的阻力和滾動摩擦的阻力，故工件和軸瓦接觸表面之間的摩擦阻力小，在中低轉速下由摩擦阻力引起的功率消耗小，傳動效率高。

(2)使用壽命長。工件和軸瓦由一層潤滑油膜將接觸表面隔開，摩擦副表面間不會直接接觸，因此無論是長期工作或頻繁的啟動、停止，摩擦副表面都不會發生磨損，故能長時間保證精度。

(3)轉速范圍廣。靜壓中心架在各種相對運動速度下都能保持液體潤滑作用和承載能力，油膜剛度受相對運動速度的變化影響較小。無論工件從低速至高速下以正向或反向轉動，支承均能獲得良好的性能。

(4)抗振性能好。靜壓中心架油腔內的潤滑油層具有良好的吸振能力，使工件轉動平穩。

(5)工件回轉精度高。潤滑油膜具有平均誤差的作用，從而能減少工件和軸瓦制造不精確產生誤差造成的不良影響。

(6)適應性好。通過適當的選擇油腔、封油邊的尺寸結構和供油流量，能使靜壓中心架的承載能力達到所需要的指標。利用油膜厚度的大小來控制工作狀態，使之能工作在最合理的條件下，實現高加工精度的要求。

2.靜壓中心架的支承原理

本課題研究的靜壓中心架采用的是恒流量供油系統。使用這種供油方式不需要使用節油器，但每一個油腔都需要有一個流量相同的油泵。如圖1 所示，油泵將恒定流量的潤滑油直接送入靜壓中心架各個油腔中。

圖1

壓力油在流動過程中會受到工件與軸瓦的微小間隙中產生的液阻作用。理論和實踐證明:油路中的壓力、流量、和液阻三者間的關系同電路中電壓、電流和電阻三者的關系相同，這樣就可以利用電路中的規律來研究油路系統。與電路中的歐姆定律類似，有如下關系:

在油腔間隙的液阻作用下潤滑油在各油腔形成的液壓力，即承載力，將軸類零件浮起并處于靜壓中心架的中心位置，此時工件和軸瓦之間各處的間隙相同，均為h0，各油腔的壓力均為P0，工件受到各油腔的承載力互相平衡。

根據液體流動連續性方程可知，任何時候從油泵輸出的潤滑油流入靜壓中心架一個油腔的流量，恒等于靜壓中心架一個油腔往外流出的流量。因此當工件和軸瓦之間的間隙h 變小，出油液阻隨之變大，油腔壓力也會相應變大，反之當間隙h 變大，油腔壓力則變小。油腔壓力是隨著載荷和工件重量的增減而變化的。

3.靜壓中心架的結構設計

靜壓中心架結構如圖2 所示。每套中心架采用上下分體式結構，上下體的聯接通過螺栓和定位鍵實現。本靜壓中心架用于HT630×120/120L—NC 機床，可支承的工件直徑范圍為400～600mm，對應不同直徑的工件，需要選擇不同半徑的軸瓦支承塊進行支承。

每套靜壓中心架有三個支承，每個支承上有一個支承塊，工件的重量主要由靜壓中心架的中間支承塊支承，兩側支承塊主要起調整工件中心位和輔助工件定位的作用，中間支承塊為靜壓瓦，兩側支承塊為卸荷滑動瓦。中間支承塊下面有一球面瓦，可以自動調整支承塊實現360°任意方向的擺動，以適應工件中心線因工件重量引起的撓度變化以及切削力引起的前后左右方向的變形。中間支承塊高低調整靠中間套筒下面的液壓缸驅動實現，液壓缸外裝有鎖緊螺母，由電動機驅動鎖緊螺母將中間套筒鎖緊。為了適應大型工件中心調整的準確性，在三個支承瓦的調整上設有手動微調機構。

圖2

4.中間支承塊的油腔結構

中間支承塊的油腔結構如圖3 所示。單油腔靜壓支承不能抵抗偏載荷，靜壓支承一般都是多油腔設計。根據油腔間是否相通可以分為:多油墊靜壓支承和多油腔支承。油腔間有回油槽的支承叫做多油墊靜壓支承，油腔之間沒有回油槽的支承叫做多油腔支承。

圖3

為了便于加工、裝配和維修，油腔通常開在固定件上，通常靜壓支承油腔結構形式包括如下幾種:

(1)等深度油腔。這種結構形式油腔摩擦功率小，軸承溫升低，多用于轉速高、主軸系統自重較小的中小型車床。

(2)圓弧形油腔。圓弧矩形油腔加工比較方便，通常用于小型車床。

(3)油槽形油腔。這種形式的油腔靜止時接觸面積大，抗振性好，但摩擦功率大，通常用于主軸自重大且轉速較低的車床。

(4)平底深油腔。這種油腔結構加工較槽式油腔容易，能支承重載荷，軸承溫升較低，通常用于重型車床。

靜壓中心架應用場合為重型數控鏜車床，工件重量大，采用的是平底深油腔的四油墊結構形式。這種結構形式可以實現在水平和垂直兩個方向上有效的支承，承載能力大大加強，最大可承載有效載荷150t 的工件。

5.結語

筆者公司在重載機床上使用了大量的靜壓技術，靜壓中心架就是其中一個非常重要的組件，它具有無磨損、精度高、壽命長及運行穩定等特點。國家重大專項產品HT630×120/120L—NC 主要用于大型轉子等軸類零件的加工，筆者公司為其配備了4 套靜壓中心架，目前使用狀態良好，該項技術的成功運用，徹底打破了發達國家在該項技術上的壟斷，為我國造船、核電、運功等領域的高速發展提供了有力的技術支持。