變頻恒流靜壓軸承的研制*

何發(fā)誠(chéng) 桂 林

（武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430205）

采用靜壓軸承結(jié)構(gòu)主軸箱的數(shù)控重型臥式車床，承重范圍80～200 t，主軸徑向恒流靜壓軸承通常是采用普通的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵提供壓力油至主軸靜壓油腔，靜壓油流量不變。由于恒流靜壓軸承的靜壓油流量受油的粘度、溫度以及零件加工精度的綜合影響，計(jì)算值與實(shí)際值之間存在較大誤差，影響了軸承的承載能力及精度。特別是外載荷變化較大時(shí)，油膜厚度變化大，從而大大降低了靜壓軸承的精度及剛度。隨著數(shù)控重型臥式車床的發(fā)展，機(jī)床兩頂尖間最大承重要求達(dá)到500 t，主軸徑向跳動(dòng)要求達(dá)到0．006 mm，因此要求靜壓軸承有更大的承載能力和更高的回轉(zhuǎn)精度。

為了滿足現(xiàn)代數(shù)控重型臥式車床的發(fā)展需要，我們研制了使主軸在大的承載下仍能保持高精度回轉(zhuǎn)的變頻恒流靜壓軸承。

1 變頻恒流靜壓軸承的結(jié)構(gòu)

變頻恒流靜壓軸承包括控制系統(tǒng)，交流變頻器，交流變頻電動(dòng)機(jī)，齒輪泵，靜壓軸承及壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)。控制系統(tǒng)中包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和PLC控制器。PLC控制器的輸出端與交流變頻器輸入端相連接，交流變頻器輸出端與交流變頻電動(dòng)機(jī)相連接，交流變頻電動(dòng)機(jī)與齒輪泵相連接，齒輪泵與壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)以及靜壓軸承中的靜壓油腔相連接。在靜壓軸承與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)單元之間，設(shè)置有壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)，圖1～3所示。

2 變頻恒流靜壓軸承工作原理

變頻恒流靜壓軸承的原理為:將靜壓軸承壓力、流量、溫度的設(shè)定值輸入到控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，且數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)單元同時(shí)接受來(lái)自壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)的信號(hào)，將其進(jìn)行比較后輸送到PLC控制器;PLC控制器的輸出信號(hào)，經(jīng)過交流變頻器、交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵，并控制靜壓軸承靜壓油流量，處于最佳狀態(tài)時(shí)鎖定。

在圖1中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要是用于調(diào)速控制信號(hào)（即靜壓軸承壓力、流量、溫度設(shè)定值）的輸入，它給出的壓力、流量、溫度控制信號(hào)與壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)輸入的反饋信號(hào)具有相同形式和相同的數(shù)量級(jí)。在靜壓軸承與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間，設(shè)置有壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)。壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)中，包括流量傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)單元中有處理和比較靜壓軸承壓力、流量、溫度設(shè)定值與壓力、流量、溫度檢測(cè)反饋系統(tǒng)的反饋信號(hào)的比較電路。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的比較環(huán)節(jié)將輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，將得出的偏差信號(hào)作為PLC控制器的輸入信號(hào)。PLC控制器將接受到的偏差信號(hào)按照設(shè)計(jì)給定的算法輸出控制信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率。當(dāng)靜壓軸承通過調(diào)整處于最佳靜壓狀態(tài)時(shí)，PLC控制器使變頻器的頻率鎖定，交流變頻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不變，齒輪泵流量恒定不變，從而實(shí)現(xiàn)主軸的重載高精度回轉(zhuǎn)。

在圖2中，靜壓軸承5固裝在主軸箱箱體4上，主軸1置于靜壓軸承5中，主軸1與靜壓軸承5為間隙配合，在靜壓軸承5上設(shè)置有靜壓油輸入通道3，靜壓油經(jīng)輸入通道3流入靜壓軸承5中的靜壓油腔2內(nèi)，在主軸1與靜壓軸承5間形成一層油膜，保證主軸1在靜壓軸承5中的高精度回轉(zhuǎn)。

為了保證所輸入靜壓油的清潔度，變頻恒流靜壓軸承中還設(shè)置了一些輔助裝置，其工作原理一并在圖3中說(shuō)明。液壓油經(jīng)粗過濾器1、精過濾器5過濾后，進(jìn)入到由交流變頻電動(dòng)機(jī)9驅(qū)動(dòng)的齒輪泵8中，流經(jīng)單向閥10、流量傳感器11，流入靜壓軸承中油腔12內(nèi)。圖中的流量傳感器11，提供輸入到油腔12的流量反饋信號(hào)至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);油腔12的輸入端連接的壓力傳感器13和溫度傳感器14，提供輸入到油腔12的壓力和溫度反饋信號(hào)至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

在變頻恒流靜壓軸承中，還設(shè)置了靜壓軸承壓力保護(hù)系統(tǒng)，即圖3中的單向閥15、兩位兩通電磁閥16、壓力繼電器18和蓄能器17構(gòu)成靜壓軸承壓力保護(hù)回路。當(dāng)突然斷電時(shí)，兩位兩通電磁閥16接通，蓄能器17中的壓力油經(jīng)單向閥15流入靜壓軸承中油腔12內(nèi)，從而起到保護(hù)作用。

此外，在圖3中的變量葉片泵2、交流電動(dòng)機(jī)3、單向閥4、7均為變頻恒流靜壓軸承的基本系統(tǒng)元件。

3 結(jié)語(yǔ)

變頻恒流靜壓軸承成果應(yīng)用在兩頂尖間最大承重為500 t的數(shù)控重型臥式鏜車床上，主軸徑向跳動(dòng)達(dá)到了0．006 mm。此外，變頻恒流靜壓軸承成果還可廣泛應(yīng)用于超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組、超重型軋機(jī)等超大型設(shè)備。