恒流静压导轨的原理分析及应用

杨 军 陈虹先

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

关键字：精密数控机床；恒流静压导轨；导轨间隙；油膜；刚度

目前，国内外生产的大型机床为满足极限生产而不断增大机床规格，对机床导轨副也提出了更高要求。结合对某大型数控龙门铣工作台的恒流静压改造应用，分析阐述了恒流静压导轨的原理，并用理论计算和实际运行情况共同证明了恒流静压导轨应用在大型数控机床上生产加工的优越性。

1 静压导轨工作原理及恒流静压导轨的优越性

1.1 静压导轨的工作原理及分类

静压导轨的原理是导轨和静压腔形成一个空间，该空间内由具有一定压力的液压油充满，最终可以隔绝开非运动面导轨与运动面静压腔之间的油膜间隙，静压腔跟随工作台运动时，与导轨面产生纯液体摩擦。

静压导轨按结构形式分为闭式和开式。闭式静压导轨各相向导轨面被静压腔包围形成一个封闭的油膜间隙包裹导轨，因此能承载双向载荷，保证工作台平稳运行；而开式静压导轨只在承载面与工作台的静压腔形成油膜间隙，静压腔内的液压油由外部油泵经节流器进入，与导轨面形成油膜间隙，使工作台浮起，并经静压腔边界流回油箱，形成一个循环平衡，保证工作台平稳运行。

静压导轨按供油情况分为恒压式和恒流式。供给保持静压腔内液压油压力不变即恒压式静压导轨；供给保持进出静压腔液压油流量不变即恒流式静压导轨。

1.2 恒流静压导轨的优越性

相较于恒压式静压导轨：

(1)恒流式静压导轨过载能力强。在实际运行中，由于工件结构以及装夹方式的不同等因素，并不能保证工作台的各个静压腔承受的负载一致。恒流式静压导轨和静压腔之间的油膜间隙由于有恒定的流量输入，使其随外部载荷增大而变小，反之亦然，具有更强自适应性和过载能力；而恒压式静压导轨静压腔之间的油膜间隙是由节流阀控制的液压油压力决定，当外部负载过大时难以形成油膜间隙。

(2)恒流式静压导轨抗液压油污染能力强。由于实际工况，液压油难免被污染，且恒流式静压导轨的液压油通过静压腔的边界流回油箱，相对不易造成堵塞；但恒压式静压系统中的节流阀更容易被液压油中的污染物颗粒堵塞导致油路不通，而造成静压腔缺油导致的静压腔失压，进一步导致工作台无法浮起，造成静压腔面与导轨面发生研伤。因此静压系统液压油必须过滤。

(3)恒流式静压导轨液压油温升更低。恒流式静压导轨系统内的液压油是由前置泵供给到各个静压腔，再由静压腔的边界流回油箱形成一个循环，没有额外的压力损失不会产生额外的发热量，导致额外的油温升高；而恒压式静压系统内，为了保持各个静压腔内的液压油压力恒定，进入静压腔前需经过节流器产生压降和溢流阀的溢流，在此过程中产生的功率损失将转化为额外的热量被带回油箱，从而造成额外的油温升高。进一步导致机床相应结构受热变形，影响运动精度，甚至可能使静压导轨不能形成静压油膜间隙，影响工作台正常工作。

基于上述原因，采用多头泵供给各个导轨油腔恒定的流量，且压力及溢流损失小，发热量小，工作台受热变形小，工件切屑精度能达到较高要求。

2 恒流静压导轨设计与计算

2.1 工作台静压导轨静压腔设计及计算

2.1.1 工作台导轨结构及静压腔总量

某型数控龙门铣是我公司引进的国外20世纪90年代产品。该机床主要用于加工大体积、重量轻的焊接件。由于机床床身导轨与工作台导轨(X轴)几何尺寸较小的限制，静压腔面积较小，加上静压系统及多头泵的输出流量及压力较小，因此工作台的承载能力较低。为满足生产需要，要求工作台承载能力≥200 t(包括工作台自重)。

该机床床身导轨结构尺寸：共三条导轨，为钢结构件，每条导轨宽度为175 mm。工作台导轨结构尺寸：每条导轨宽度175 mm，全长采用注塑导轨，注塑厚度为4 mm，静压腔槽深2 mm。工作台分为前、后工作台，分别由三片可分离式工作台组成，油腔数量分别为12、9、12个，则工作台总油腔数为：(12+9+12)+(12+9+12)=66个。

2.1.2 每个静压油腔有效面积的计算

静压油腔见图1，则每个油腔的有效面积为：

图1 静压腔几何图

S=(740-60)×(175-60)=78200 mm2

2.1.3 每个静压油腔的压力P0的计算

根据流体静力学原理，外力引起的压力P=F/A，因此P0=G0/ΣS。

式中，G0指静压导轨承受的总外负载，此时G0=2×106N；ΣS指静压导轨上所有静压腔的有效面积总和，此时ΣS=66 s。代入数据后，每个静压腔的压力为：

P0=G0/ΣS=3.875×105Pa

取P0=4×105Pa

根据经验值取承载效率η=50%，则最终每个静压油腔的压力为：P0=4/η=8×105Pa

2.2 静压腔流量计算

2.2.1 静压导轨工作油液的选择及其参数确定

液压油的运动粘度μ随温度变化而变化。温度越高液压油粘度越低，其他条件不变的情况下，流量将变大，因此控制油温和使用变量泵是可以采取的有效补充手段，但选取受温度影响粘度变化更小的液压油是优先考虑的因素。通过查“液压液粘度-温度特性曲线图”，发现石油基型液压液油的特性曲线斜率最小，即受温度影响变化最小，故静压导轨工作液应选用此类液压液。根据经验，选取N46抗磨液压导轨油，粘度牌号ISOVG46(40℃)，作为静压导轨工作液。N46在40℃时的动力粘度为：

μ=ρν=4.1×10-2Pa·s

式中，ρ为石油基型液压油的密度，ρ=0.86～0.92 g/cm3，取平均值，ρ=0.89 g/cm3；ν为运动粘度，40℃时的运动粘度范围为(41.1～50.6)×10-6m2/s，取ν=46×10-6m2/s。

2.2.2 静压腔流量计算原理及单个静压腔流量

如图2为平行平板缝隙示意图。h为间隙的高度，即浮起量，此处取h=0.03 mm=0.003 cm；l为沿液体流动方向间隙的长度，如图1，此时为静压腔到回油边界的长度l=600 mm；b为间隙垂直于液体流动方向的宽度，此时为静压腔有效长度的周长，b=(680+115)×2=1590 mm；λ为节流变系数，λ=b/l=1590/60=26.5；ΔP为静压腔压力通过缝隙降压的压力变化，此处为ΔP=P0-0=8×105Pa；μ为动力粘度，μ=4.1×10-2Pa·s。

图2 平行平板缝隙示意图

静压腔的流量是用平行平板缝隙流量计算公式推导出来的，静压腔的流量为：

Q=ΔPh3λ/12μ

=1.163 cm3/s

=69.8 cm3/min

≈70 ml/min

3 恒流静压导轨液压系统方案

3.1 液压系统方案设计

3.1.1 液压系统原理图

开式恒流静压导轨液压系统图见图3。

1—油箱 2—粗过滤器 3—油温控制器 4—前置泵 5—溢流阀 6—精过滤器 7—压力检测开关 8—多头泵 9—静压腔

3.1.2 液压系统设计原理

液体的粘度随温度的升高而降低，随温度的降低而升高。在系统中由于各种压力损失造成的升温和周围环境温度的影响，故在系统中加入“油温控制系统3”，保证油温控制在一个恒定值，由式Q=ΔPh3λ/12μ得到一个恒定的静压腔流量。

油液的清洁度要求对静压液压系统的影响非常大，为了避免油路被异物阻塞而引起部分油腔无法形成静压，故在系统中加入滤油器，以保证系统油液的清洁度。在前置泵前端有“粗过滤器2”，后端有“精过滤器6”。当系统需要维护时，只需清洗或更换滤芯即可，便于维护。

为保证整个系统能够形成静压，要满足流量平衡，即前置泵的流量≥所有多头泵的流量总和，且前置泵供油压力≥多头泵吸油压力。

各个压力检测开关用于监测各点压力是否达到要求，可与数控系统联结成报警信号，便于查找系统故障。液压系统中的溢流阀可将前置泵的压力调节到系统需要值。

3.2 多头泵和前置泵的选定

3.2.1 多头泵的选定

小流量多头泵已进行全面改型，改型后的多头泵各项技术指标均与国际接轨，已形成标准化、通用化。最大油腔压力为35×105Pa，每头流量30～300 ml/min，头数2～24，可供用户任意选择。

该静压系统可以保证每个静压腔均至少获得一个单独的泵头，在自身承压范围内形成持续不断的流量供给，并形成静压油膜间隙，过载能力强。该系统中没有节流阻尼件，不易受液压油污染阻塞引起油路不通，避免了静压腔缺油导致的无浮起量导轨研伤，静压稳定性更高。设计时，根据系统的各油腔的负载情况，结合本体刚度，调整油腔面积及节流尺寸，使系统的各油腔流量基本一致。个别油腔的流量大时，可用两个或两个以上的头并联供油。本油泵适用20～500 mm2/s的机械油。输入多头泵的油过滤精度为20 μm。

由Q=ΔPh3λ/12μ计算出油腔流量Q=70 ml/min，一共有66个油腔，按要求油腔压力P0≥8×105Pa。选型多头泵为SM-12×100，系统共需6台，多出的头数可以根据实际浮起量在未浮起的地方多接一个头，或做其它位置的润滑用。多头泵到静压腔采用∅6 mm×1 mm钢丝编织树脂尼龙管，抗压强度16 MPa。

该型多头泵，出油头数12，每头流量Qs=100 ml/min≥70 ml/min，油腔压力35×105Pa≥8×105Pa，均满足设计要求。

3.2.2 前置泵的选定

前置泵的流量要满足≥6台多头泵流量总和，且前置泵的供油压力要满足≥SM-12×100多头泵的进油压力30 MPa。

多头泵流量Q=12×100 ml/min=1.2 L/min，则：

则前置泵的选择只要满足流量Q≥7.2 L/min，输出压力P≥30 MPa即可。

4 结语

从静压导轨的工作原理分析得出了恒流静压导轨的优越性。通过举例，给出了恒流静压导轨的设计及理论计算过程。并且在理论计算的基础上，展示了恒流静压导轨液压系统的方案设计，完成了恒流静压导轨的设计及应用。因为静压腔与导轨之间的油膜间隙随外部载荷增大而变小时，由于静压腔内恒定的流量输出使腔内油压上升直至与外部载荷重新平衡。在一定范围内，由于液体的不可压缩性以及恒定的流量输入使油膜间隙具有较高刚度，随外部载荷变化影响很小。因此采用恒流静压导轨工作台不仅能使工作台获得更高的承载能力，还能获得更好的加工质量。