定量式供油理論在靜壓工作臺的研究與應(yīng)用

蘇 展，黃國田

（沈陽機(jī)床集團(tuán)，遼寧 沈陽110000）

1 工程背景

重型立式車床工作臺廣泛采用靜壓浮動式工作臺支撐工件，目前工程師均通過手動計算得到關(guān)鍵參數(shù)（如泵流量、浮起高度、油膜剛度等），這對非流體專業(yè)的工程人員帶來很大挑戰(zhàn)。因此設(shè)計出簡單、高效、可讀性高的變量式計算程式可以極大地改善新機(jī)床的設(shè)計周期和現(xiàn)有機(jī)床的技術(shù)更新周期，以及提高計算的準(zhǔn)確度。

2 定量式供油原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

定量式供油系統(tǒng)是對導(dǎo)軌上的所有油腔都由一個泵供以定量的油，即單泵多腔供油，使流經(jīng)各油腔的流量在任意載荷下保持恒定，并且等于泵的流量。這種系統(tǒng)大多應(yīng)用于重型機(jī)床上，例如重型立式車床的圓形靜壓導(dǎo)軌[1]。

如圖1表示了定量供油式的開式靜壓圓導(dǎo)軌，油腔在基座導(dǎo)軌2上均勻地分布，每個油腔均由泵1供給壓力為p流量為Q的油，以承擔(dān)工作臺3的荷載W。車床工作臺上均布十個分隔的靜壓腔，以克服各方向的抗傾覆力矩與力。

圖1 定量供油靜壓圓導(dǎo)軌示意圖

當(dāng)油墊的負(fù)載W突然加大時，支承間隙h（油膜厚度）減小，液阻Rh增大，油腔壓力△p升高，以適應(yīng)增大了的載荷W，但因流量Q仍保持不變，所以油膜厚度減小得不多。這可以從△p=RhQ[2]式中看出來，即載荷增大后Rh變大，而Q保持不變．所以△p增大，壓力升高。

3 定量供油在圓導(dǎo)軌上的應(yīng)用

在重型機(jī)床上廣泛采用帶有圓導(dǎo)軌和徑向支承的工作臺。根據(jù)液體靜壓支承理論，需要初定油膜的最小厚度，以保證工作臺與底座處于液體潤滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)小。滿載時設(shè)定的理論油膜厚度應(yīng)合理，油膜厚度太大即影響供油泵的選型，同時又不利于工作臺的穩(wěn)態(tài)；無載荷時工作臺的剛度下降也需要考慮，下文將按滿載理論最大剛度，以及空載工況理論最小剛度分別計算。

3.1 工程概況描述

如圖2以我公司GTC630200龍門式數(shù)控車床靜壓工作臺為例分別對滿載和空載情況下的受力進(jìn)行研究。

圖2 供油的導(dǎo)軌原理圖

底座靜壓（如圖3）采用定量供油式十腔圓導(dǎo)軌，工作臺空載G1=2 000 kg，工件最大重量G2=4 500 kg。工件載荷均布在工作臺上，忽略因切削力引起的工作臺偏載，滑枕刀具最大切削力25 kN，工作臺最大轉(zhuǎn)速35 r/min。

圖3 底座與工作臺靜壓腔

3.2 機(jī)床工作臺受力分析

對工作臺進(jìn)行靜力學(xué)分析，包括最大載荷、負(fù)載偏心、切削力。如圖4。

圖4 底座受力分析

3.3 經(jīng)典開式定量油腔求解[2]

（1）圖5初定扇形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)尺寸[3]

圖5 矩形與扇形導(dǎo)軌有效面積

根據(jù)底座油腔結(jié)構(gòu)，已知R1＝1 355 mm，R2＝1 367 mm，R3＝ 1 514 mm，R4＝ 1 525 mm，L=890 mm，B=170 mm，b=147 mm，l=830 mm

（2）計算一個油墊的有效承載面積

（3）計算油腔壓力

每個底座油墊承受的最小載荷：

每個底座油墊承受的最大載荷：

每個底座油墊的最小壓力：

每個油墊的最大壓力：

空滿載荷變化系數(shù)：

（4）確定導(dǎo)軌間隙：根據(jù)經(jīng)驗，取滿載時的最小間隙，hmin=0.06 mm

（5）靜壓油號選擇：由于機(jī)床線速度較高，且稀油的摩擦損耗較小，借鑒德國類似機(jī)床，選用22號油。

（6）計算單個油墊的有效油量

（7）計算滿載時十個油墊最大剛度

（8）計算空載時十個油墊最大剛度

（9）最大轉(zhuǎn)速下的摩擦功率[3]

3.4 樣機(jī)驗證

機(jī)床工作臺裝配并調(diào)試完成后，將千分表針輕觸工作臺上表面，記錄初始位置（或清零），再打開工作臺靜壓泵，連續(xù)打開關(guān)閉靜壓泵，記錄工作臺空載時的浮起量，記錄在表1中，表中理論值0.090即計算步驟8的hmax再將樣機(jī)靜態(tài)固定在工作臺上進(jìn)行滿載45 t實驗，圖6為工作臺滿載圖片。

表1 工作臺空載浮起結(jié)果（單位mm）

圖6 工作臺滿載工況

用同樣的操作方式記錄工作臺空載時的浮起量，記錄在表2中。表中理論值0.060即計算步驟4的從表1和表2中可以看出，實際結(jié)果與理論值相差不多約5%，說明以上液體靜壓理論及計算邏輯可以滿載工程開始靜壓需求。分析誤差原因：與靜壓泵的恒定輸出流量，泵到靜壓腔管道布局情況，管道打結(jié)，靜壓工作臺的平面度，裝配尺寸鏈均有關(guān)系。

表2 工作臺滿載浮起結(jié)果（單位mm）

3.5 工程制表

將2.3章的計算流程制定出圖7，其適用于“定量供油開式靜壓圓工作臺”。工程技術(shù)人員僅需輸入（一）載荷基本參數(shù)；（二）工作臺導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；（五）確定滿載時最小間隙和（六）選擇油特性，便可以得出白色行結(jié)果，這樣極大地改善新機(jī)床的設(shè)計周期和現(xiàn)有機(jī)床的技術(shù)更新周期，同時提高計算的準(zhǔn)確度。

圖7 工作臺滿載工況