偏載工作臺靜壓圓導軌相關參數分析

陳再良，劉和劍，鄧羅虹，靖聰

(蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州215021)

大型機床工作臺的動態特性對其工作性能、承載能力、穩定性和可靠性等有很大的影響，而工作臺的靜壓導軌與工作臺的動態性能有著密切聯系［1－2］。根據TH6918 落地鏜銑床的工作臺液壓支承的結構設計方案，針對偏載工況，對4 000 mm ×5 000 mm 工作臺與滑座之間的靜壓圓導軌部分相關參數進行設計與分析，為工作臺的設計與研究做好前期準備。

1 液體靜壓導軌的結構

所設計的4 000 mm ×5 000 mm 工作臺的滑座與工作臺之間靜壓圓導軌的結構形式如圖1 所示。

圖1 靜壓圓導軌油墊分布及油墊編號

在下支承主導軌處布置10 個扇形油墊，每個油墊的扇形角為36°;在上支承輔導軌處布置8 個扇形油墊并固定于壓板下方，每個油墊的扇形角為45°。其中E1 ～E10 代表主導軌，F1 ～F8 代表輔導軌。

2 承受偏載圓導軌的計算基礎

工作臺主要承載位置為圓導軌半徑以內的圓形區域，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 個扇形油墊的圓導軌為例，如圖3，在力偶矩的作用下，工作臺偏轉傾角如圖2 (b)所示，各油墊的導軌間隙產生變化，為便于計算，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生偏轉，油膜厚度發生變化，產生一個與傾覆力矩平衡的力矩，見圖4。為了簡化計算，這里假設每個油墊中油膜的剛度一樣，而且每個油墊上的反作用力與此處的位移成正比［6－7］。因圓導軌的半徑相對于油墊的徑向寬度較大，所以假定各油墊上反作用力的合力的作用點落在圓導軌的平均半徑上，閉式圓導軌的傾覆力矩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主為主導軌處的最大位移率;εM輔為輔導軌處的最大位移率，εM輔=1.09εM主。

圖4 各油墊承受的載荷

3 靜壓圓導軌偏載計算

選取3 個不同的偏載位置來分析靜壓圓導軌各個油腔的壓力分布情況。因為工作臺及導軌左右近似對稱，這里只考慮偏載位置放在左側的情況，偏載位置在右側的情況可以對稱考慮。3 個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距離工作臺中心2 000、1 500 和1 000 mm 處，且偏載位置在左側時為負，在右側時為正。

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。根據主、輔導軌油墊的偏移率以及前面求得的各個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 個位置圓導軌各個油腔的壓力以及油膜厚度。整理分析計算得出的各油腔壓力及油膜厚度，可以得到靜壓圓導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 計算結果分析

從圖6 可以看出:載荷距中心距離越大，在載荷位置同側的主導軌油腔的壓力越高，另一側的主導軌油腔的壓力越小，而輔導軌油腔的壓力變化與主導軌油腔的壓力變化正好相反。當載荷距中心距離不大于1 000 mm 時(在靜壓圓導軌區域內)，無論是主導軌還是輔導軌其各油腔的壓力均非常平緩，在正常的壓力范圍內變化，如圖6 (a)和(b)所示;而當載荷距中心距離大于1 000 mm 時 (在靜壓圓導軌區域外)，隨著偏載距離的增加油腔壓力會迅速增大，而且偏載位置同側距離偏載位置較近的油腔的壓力會超出導軌正常的壓力范圍，而輔導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:無論是主導軌還是輔導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，偏載位置同側的主導軌油腔的油膜厚度越小、輔導軌油腔的油膜厚度越大，而另一側的主導軌油腔的油膜厚度越大、輔導軌油腔的油膜厚度越小。

5 結束語

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

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