定壓供油式數(shù)控滾齒機(jī)靜壓導(dǎo)軌流體仿真

鄭 永，王 輝，，陳 艷，張?zhí)旌悖軉⑽洌娮詮?qiáng)

（1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程中心，重慶 400054；3.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

隨著新型技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控滾齒機(jī)對(duì)加工精度及加工效率的需求越來(lái)越高［1］。通常液體靜壓支承能滿足數(shù)控機(jī)床高精度、高效率的加工［2］。在靜壓支承的諸多應(yīng)用中，靜壓導(dǎo)軌是較為重要的一種，也是大型數(shù)控滾齒機(jī)的重要的部件［3］。

靜壓導(dǎo)軌具有摩擦因數(shù)低、工作使用壽命長(zhǎng)、抗震性能好、適應(yīng)性強(qiáng)等的特點(diǎn)。由于開(kāi)式導(dǎo)軌需要依靠工作臺(tái)的自重和工件的載荷來(lái)保持運(yùn)動(dòng)件不從床身上分離，且只能承受單向載荷，因此大多數(shù)的精密機(jī)床采用閉式靜壓導(dǎo)軌［4-5］。

通過(guò)對(duì)毛細(xì)管節(jié)流式閉式靜壓導(dǎo)軌的油膜進(jìn)行三維有限元建模［6-7］及流體油膜的仿真，對(duì)油膜的壓力場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在靜態(tài)及不同工作時(shí)速下油墊內(nèi)流體的流速和壓力變化進(jìn)行研究，揭示了回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在不同速度下油腔各處壓力、流體的運(yùn)動(dòng)狀況對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能的影響，具有實(shí)際的應(yīng)用參考價(jià)值。

1 數(shù)控滾齒機(jī)毛細(xì)管節(jié)流式靜壓導(dǎo)軌的液壓原理

液體靜壓導(dǎo)軌的供油方式有2種：定壓供油和定量供油。在定壓供油的導(dǎo)軌系統(tǒng)中，各個(gè)油腔進(jìn)油腔孔前必須設(shè)置節(jié)流器［8］。本研究中以某數(shù)控滾齒機(jī)的閉式靜壓導(dǎo)軌為研究對(duì)象，使用可調(diào)式毛細(xì)管節(jié)流器，其工作原理圖如圖1所示，工作流程為：?jiǎn)?dòng)電機(jī)，帶動(dòng)油泵給整個(gè)系統(tǒng)供油，液壓油經(jīng)過(guò)粗過(guò)濾器吸入，通過(guò)溢流閥調(diào)節(jié)供油壓力，再經(jīng)過(guò)精過(guò)濾器過(guò)濾，經(jīng)過(guò)每一個(gè)節(jié)流器降壓到油腔壓力后進(jìn)入導(dǎo)軌的油腔，在2個(gè)相對(duì)的導(dǎo)軌面間通入壓力油，使運(yùn)動(dòng)件浮起，液壓油最后由回油槽流回到油箱［7］。

圖1 閉式定壓供油式液壓原理示意圖

2 可調(diào)式毛細(xì)管節(jié)流油腔閉式靜壓導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算

圖2 靜壓導(dǎo)軌主導(dǎo)軌示意圖

2.1 閉式靜壓導(dǎo)軌的有效承載面積

對(duì)于圓環(huán)導(dǎo)軌，由于其直徑相對(duì)于油腔的徑向?qū)挾群艽螅颓坏臄?shù)目又比較多，所以可以把扇形油墊簡(jiǎn)化為矩形油墊計(jì)算［9-10］，如圖3、4所示，其中一組對(duì)置油墊的有效承載面積方程如下：

圖3 矩形油墊尺寸示意圖

圖4 扇形油墊尺寸示意圖

某閉式數(shù)控滾齒機(jī)靜壓導(dǎo)軌油墊的各參數(shù)值如表1所示。

表1 主導(dǎo)軌油墊的各參數(shù)值

2.2 閉式靜壓導(dǎo)軌的承載力

當(dāng)被支撐件在載荷作用下處于某一位置時(shí)，W為上下油墊推力之差所平衡，即

在一定的進(jìn)油壓力ps下，則

式中：λ01、λ02分別為主副油墊的阻液比；p1、p2為主副油墊的油腔壓力；le1、de1和le2、de2分別為主副油墊的毛細(xì)管長(zhǎng)度和直徑；h0為設(shè)計(jì)油膜厚度，即工作臺(tái)自重情況下的油膜厚度。

2.3 油膜厚度

式中：ε為位移率；h0為設(shè)計(jì)油膜厚度。

2.4 油膜剛度

2.5 一個(gè)對(duì)置油墊的流量

式中：μ為機(jī)械潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度。

3 油膜流體仿真

3.1 雷諾數(shù)

CFD的建模需要選擇接口，在已知液體流量的情況下，用雷諾數(shù)［11］判別液體的流動(dòng)狀態(tài)。雷諾數(shù)Re的公式為：

（2）閉合開(kāi)關(guān)后，無(wú)論怎樣調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，發(fā)現(xiàn)小燈泡不發(fā)光，電流表無(wú)示數(shù)，電壓表有示數(shù)，則電路中發(fā)生的故障可能是__________（選填“小燈泡斷路”“小燈泡短路”或“滑動(dòng)變阻器處斷路”）。

式中：Q為液體的流量；Y為流過(guò)截面的濕周；v為運(yùn)動(dòng)黏度；u為流體流速；RS為水力半徑。

任何液體在光滑圓硬管中流動(dòng)時(shí)，Re＜2 320，則一定是層流，Re＞13 800時(shí)，一定是紊流，在其中為過(guò)渡狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算得到Re＜2 320，實(shí)際的工作在層流。

3.2 Comsol流體仿真

靜壓導(dǎo)軌的主導(dǎo)軌均勻分布了6個(gè)大小相同的扇形油腔，不考慮偏載的情況下，取整體的1/6作為研究對(duì)象進(jìn)行仿真。在Comsol仿真軟件［12-15］中建立流體三維模型，如圖5所示。

圖5 主導(dǎo)軌流體模型示意圖

油膜厚度為0.03 mm時(shí)，工作臺(tái)速度分別為0、20、50、100 rad/min時(shí)對(duì)液體油膜的流速的影響如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)靜壓導(dǎo)軌處于靜態(tài)時(shí)，流速分布均勻，隨著工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度的增加，流體的速度增大且流動(dòng)的方向發(fā)生變化，在導(dǎo)軌的最右邊出現(xiàn)了與靜態(tài)時(shí)流速相反的現(xiàn)象，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速越高，液壓導(dǎo)軌的流動(dòng)速度和方向變化越明顯。

靜壓導(dǎo)軌的油墊油壓分布如圖7所示。由圖7可以看出，靜壓導(dǎo)軌的高壓分布區(qū)與低壓分布區(qū)，進(jìn)油口處的壓強(qiáng)最大，回油處的壓力最小，壓力分布均勻。在工作臺(tái)轉(zhuǎn)速?gòu)撵o態(tài)到100 rad/min逐漸增大時(shí)，出現(xiàn)動(dòng)壓的情況且越來(lái)越明顯。

圖6 速度矢量圖

圖7 油壓分布圖

4 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在油膜厚度為0.03 mm的工作情況下，從工作經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，進(jìn)油壓力通常為15～17 MPa，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速通常在20～25 rad/min。因此，進(jìn)油壓力每隔0.1 MPa、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速每隔0.1 rad/min進(jìn)行仿真，計(jì)算得到的油腔內(nèi)油膜承載力與0.03 mm處油膜的承載力，通過(guò)matlab生成mesh圖像，如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，隨著工作臺(tái)轉(zhuǎn)速的增大，潤(rùn)滑油的流速增大，在進(jìn)油壓力、油膜厚度以及環(huán)境溫度不變的情況下，0.03 mm處油膜的承載力有變大的趨勢(shì)。油腔內(nèi)出現(xiàn)動(dòng)壓現(xiàn)象，流速增大，油腔內(nèi)的承載力有變小的趨勢(shì)。

圖8 油腔進(jìn)油壓力、工作臺(tái)轉(zhuǎn)速、承載力關(guān)系

通過(guò)傳感器及玻璃球在空載時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置

開(kāi)啟液壓時(shí)，電感測(cè)微儀顯示的值為-51μm，開(kāi)啟液壓將進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)至16 MPa，工作臺(tái)分別以20、25 rad/min順時(shí)針及逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)各10圈，工作臺(tái)每轉(zhuǎn)一次采集傳感器到達(dá)玻璃球最高點(diǎn)時(shí)電感測(cè)微儀的值，得到的處理結(jié)果見(jiàn)表2。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，隨著工作臺(tái)速度的增大，油膜厚度變小，由于進(jìn)油壓力不變，潤(rùn)滑油的流速增大，工作臺(tái)和油膜的接觸面與靜態(tài)時(shí)相比承載力變大。由于油膜厚度變小，油腔內(nèi)受到的壓力與靜態(tài)時(shí)相比承載力變小。可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Comsol流體仿真的結(jié)果一致，仿真的結(jié)果有效。

表2 實(shí)驗(yàn)值的處理結(jié)果 μm

5 結(jié)論

運(yùn)用Comsol Multiphysics的流體仿真模塊對(duì)毛細(xì)管節(jié)流式液體靜壓導(dǎo)軌的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)所得到的結(jié)果進(jìn)行了分析比較。仿真的結(jié)果反映了工作臺(tái)不同轉(zhuǎn)速下流體的流動(dòng)狀況、油膜壓力的狀況以及此時(shí)的承載力的大小。研究結(jié)果表明，工作臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)流體的流速及方向影響較大，對(duì)油膜壓力的影響也較大。