立式車床液體靜壓導軌的性能分析與研究

張洋

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

關鍵詞：立式車床;靜壓導軌;定量供油;薄膜反饋節(jié)流

1.液體靜壓支承的原理及特點

液體靜壓技術發(fā)展已經有很長的歷史。隨著靜壓技術迅速發(fā)展，應用范圍不斷擴大，幾乎遍及整個機械制造行業(yè)，包括儀器、冷軋機、雷達天線座等民用與軍工的設備上。靜壓導軌是靜壓技術在機床上的重要應用。隨著靜壓導軌技術的不斷成熟，其在機床中的應用也越來越廣泛，尤其在數(shù)控機床和超精密機床上應用更為廣泛。

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支承載荷的滑動支承。其工作條件為純液體潤滑。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置節(jié)流器。節(jié)流器起到調壓的作用，使油腔壓力隨載荷的變化而自動調節(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，易于安裝維護的優(yōu)點，但由于設有溢流閥和節(jié)流器，所以功率損耗大，油箱容易發(fā)熱。通常應用于機床運轉功率小的部分。

（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)流閥來實現(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。但是由于油路較長，潤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床的靜壓軸承和靜壓導軌上得到廣泛的應用。

1.2液體靜壓支承的特點

液體靜壓支承由于具有如下的優(yōu)點所以得到了廣泛應用：

（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構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）較高的運動精度：支撐件和滑動件被一層薄薄的油膜隔開，減小了由于制造誤差對運動精度的影響。因此其運動精度遠高于滑動支承;

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

（5）長壽命長：支撐件和滑動件被一層薄薄的油膜隔開，兩相對滑動面不直接接觸，因而零部件的磨損損耗小。但靜壓導軌工作時的損耗均轉化為潤滑油的熱能。因此為保證長壽命應有降低溫升的設計。

2.靜壓導軌的結構和基本計算

2.1?靜壓導軌的結構

靜壓導軌按其結構可分為開式及閉式兩類。下圖（a）為典型的開式結構，（b）為典型的閉式結構。

圖2.1?靜壓導軌的結構形式

開式靜壓導軌依靠運動部件的自重或外界載荷保持運動部件與支承件不可分離，屬于力封閉。開式靜壓導軌只在導軌的一個方向上開有油腔，且只能水平或較小傾角的位置上放置。開式靜壓導軌承具有受較大正向載荷的能力;結構簡單制造及調整方便的特點。閉式靜壓導軌的運動件，除在其運動方向具有一個自由度外，其余運動自由度都由導軌的結構所約束，故屬于幾何封閉。閉式靜壓導軌可以：承受正、反向、偏載荷以及顛覆力矩，因此廣泛的應用于立式導軌。

2.2?靜壓導軌的基本計算

本文以數(shù)控立車為設計對象，重型立車導軌主要承受垂直方向的力，選用了靜壓導軌采用靜壓圓導軌，并在基座導軌上均勻地分布幾個分隔的油腔，以適應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使導軌面的平面度誤差小于等于?（0.3～0.5）倍的油膜厚度，中小型機床的油膜厚度為0.015mm～0.03mm;大型機床為0.03mm～0.06mm。

圖2.2?扇形油墊圖

（1）扇形油墊的流量計算：

其中q為流量，流量系數(shù)，

（2）油墊有效承載面積的計算：

（3）每個油腔承載能力計算：

（4）油膜剛度計算：

3.結論

本文已經對靜壓導軌進行了分析，得到了不同形式的靜壓導軌的優(yōu)缺點。定量的靜態(tài)性能的基本參數(shù)進行了計算，對其他機床采用靜壓導軌有一定的借鑒作用。但是在實際的系統(tǒng)中仍會受到其他一些不確定因素的影響，如導軌的加工精度、油液中溶解的空氣等，因此實際情況可能與計算仿真結果不一樣，因此靜壓導軌在設計完成后的安裝調試也至關重要，關系到整個系統(tǒng)能否正常工作。

參考文獻：

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