一種改善靜壓導軌機械特性的新方法

史恩秀 郭鵬閣 王海龍

西安理工大學，西安，710048

一種改善靜壓導軌機械特性的新方法

史恩秀 郭鵬閣 王海龍

西安理工大學，西安，710048

液體靜壓導軌的承載能力和油膜剛度是衡量其性能的兩個技術指標。為滿足高精密數控機床對靜壓導軌性能要求，基于局部壓力損失理論提出了一種新型高液阻液體靜壓導軌。通過仿真分析了新型高液阻靜壓導軌封油面上的油槽位置、寬度和深度對油腔壓力的影響。研究表明，在靜壓導軌的封油面上開設結構參數合理的油槽可提高液體靜壓導軌的油腔壓力。實驗結果驗證了所設計的高液阻靜壓導軌能有效提高液體靜壓導軌的承載能力和剛度。

油膜剛度；承載能力；油槽；高液阻靜壓導軌

0 引言

產品加工的超精密、納米化、高速化和信息化需求促進了高端超精密加工設備的發展。導軌作為加工設備的重要支承部件，其性能決定了設備的最終加工特性。液體靜壓導軌因其承載力強、剛度好、吸振性好等優點，在大型、重型和超精密加工設備中得到了應用[1-2]。然而在使用過程中，負載變化引起的其油膜厚度的波動影響了設備的加工精度。為提高設備的加工精度，不少學者將研究重點放在如何提高靜壓導軌的剛度和承載能力上。文獻[3-4]分析了油腔深度對靜壓導軌性能的影響，文獻[5]研究了導軌面的加工精度對靜壓導軌性能的影響，文獻[6]研究了油腔尺寸和位置對靜壓導軌性能的影響。文獻[7]分析了油腔形狀對靜壓導軌性能的影響。文獻[8]則將研究重點放在如何提高靜壓導軌的出油液阻上。本文以提高靜壓導軌的剛度和承載能力為研究目的，以油液通過流道時局部壓力損失產生原理為基礎，設計了一種新型高液阻靜壓導軌；通過分析其封油面上油環結構參數對油腔壓力的影響，證明了所設計的新型靜壓導軌較傳統靜壓導軌有較高的承載能力和剛度。

1 影響靜壓導軌承載能力和剛度的因素

本文以定量供油式液體靜壓導軌為研究對象。圖1所示為單油墊圓形開式靜壓導軌。根據其承載能力要求，在設計狀態下，其油腔壓力為p0，油墊間隙為h0，則所需油液流量為

(1)

式中，Rh0為設計狀態下的液阻;μ為液壓油的動力黏度。

靜壓導軌的承載能力為

(2)

式中，p為任意狀態下油腔壓力；Ae為有效承載面積；λ0為液阻比;Rh0、Rh為設計狀態和任意狀態下液阻；ε為導軌面間的相對位移；h為油膜厚度；e為油膜厚度變化量；h0為油膜的初始厚度。

圖1 單油墊圓形開式靜壓導軌

靜壓導軌的剛度為

(3)

由式(2)和式(3)可知，要提高靜壓導軌的承載能力和剛度，可提高油腔壓力p或導軌有效承載面積Ae。提高Ae會增大導軌的體積。由式(1)知，提高靜壓導軌的出油液阻可提高油腔壓力p。依此本文設計一種新型靜壓導軌，在不改變油墊幾何參數和進油量的前提下，達到改善其性能的目的。

2 油槽局部壓力損失產生機理分析

油液流經變截面的流道時，因油液的流速發生突變從而產生能量損失即局部壓力損失。由于油液有黏性，局部壓力損失不是在突變面上產生的，而是在一定區間范圍內逐漸形成的，所以，局部壓力損失不僅與流道的截面變化率有關，且與突變后的區間范圍有關。因此，本文設想在靜壓導軌的封油面上開設一油槽，當油液流經設有油槽的平行平板式封油面時，不僅會產生沿程壓力損失，也將因流道的截面突變而產生局部壓力損失。如果所產生的總壓力損失高于無油槽平行平板式封油面的總壓力損失，可證明此類封油面有較高的液阻。

為分析油液流經油槽時局部壓力損失的產生機理，本文對油液流經油槽時的流線進行了仿真分析。對給定深度的油槽，改變其寬度B，油液流經油槽時的流線如圖2所示。

(a)B=0.1 mm (b)B=0.5 mm

(c)B=10 mm圖2 油槽寬度對油液流動特性的影響

由圖2可知，油槽寬度太小(圖2a)，油液流經油槽時，沒有足夠的長度產生局部壓力損失，失去了開設油槽的意義。油槽寬度太大(圖2c)，油液流經油槽時，有足夠的長度產生局部壓力損失，同時也有沿程壓力損失產生。油液流經平行平板縫隙時所產生的沿程壓力損失與平板縫隙的三次方成反比。油槽寬度大為局部壓力的產生提供了足夠的空間，但導致沿程壓力損失大大降低，使得總壓力損失降低。因此，油槽寬度不能過大。相應地，給定油槽寬度，油槽深度不能太小或太大。

3 油槽參數對油腔壓力的影響分析

為驗證以上假設的可行性，參考圖1所示的靜壓導軌建立了如圖3所示的有油環油墊的靜壓導軌三維模型。其中，r1=45 mm，r2=60 mm，h0=0.04 mm，h=2 mm，d=3 mm，進油口長度為20 mm。利用ANSYS CFX，通過改變油槽寬度、深度、油槽距油腔的距離仿真分析油槽幾何尺寸對油腔壓力的影響。仿真時假設：①流體不可壓縮，且為定常流動；②油液與固體之間無相對滑動;③油腔出油口壓力為零；④忽略潤滑油慣性;⑤不考慮熱變形對工作臺的影響。

圖3 帶油環油墊的靜壓導軌模型

為分析油槽對油腔壓力的影響，仿真條件為：入口流速為100 mm/s，定義油管和油膜壁為Wall型，出口為Opening型；油液密度為875 kg/m3，動力黏度為0.035 Pa·s(46號導軌油)。

3.1 油槽位置對油腔壓力的影響分析

圖4 油槽位置對油腔壓力的影響

要分析油槽對油腔壓力的影響，首先要確定其位置對壓力的影響。仿真時，封油面上的油槽寬度和深度不變，只改變油槽到油腔的距離。油槽寬度為0.6 mm，深度為0.5 mm，取油槽距油腔的距離分別為1，3，5，7，9，11，13 mm。仿真結果如圖4所示(圖中橫坐標上的0和15 mm對應的壓力即為無油槽時的油腔壓力)。由仿真結果知，油槽位置對油腔壓力有影響。一般地，油槽在距離油腔5 mm處，油槽對油腔壓力的增加效果最好。以下仿真時取油槽距油腔距離為5 mm。

3.2 油槽寬度對油腔壓力的影響分析

為分析油槽寬度對油腔壓力的影響，取定油槽深度和油槽距油腔的距離，改變油槽寬度建立油墊模型。仿真時，取油槽深度為0.5 mm，取油槽寬度分別為0.1，0.2，0.3，…，1.0 mm。為使仿真結果有通用性，分析建立三種油墊模型：為保證封油邊寬度不變，取r1分別為45，40，35 mm，相應地r2分別為60，55，50 mm。仿真結果如圖5所示。

圖5 油槽寬度對油腔壓力的影響

由圖5知，封油邊上開有油槽時，油腔壓力有明顯提高，但油腔壓力并不是隨著油槽寬度增大而提高。在油槽寬度達到某一值時油腔壓力達到最大值，隨后油腔壓力隨油槽寬度的增大而減小。油槽寬度在0.3～0.5 mm之間，油腔壓力基本達到最大。

3.3 油槽深度對油腔壓力的影響分析

根據圖5，取油槽寬度為0.35 mm，油槽深度分別為0,0.1,0.2,…, 1.0 mm，對油腔壓力進行仿真。仿真結果如圖6所示。由圖6知，封油面上的油槽深度增大時，油腔壓力有明顯提高，但當油槽深度達到某一值而油腔壓力達到最大值后，油腔壓力隨油槽深度的增大而減小。

由仿真知，在靜壓導軌的封油面上開設尺寸合理的油槽，可提高液體靜壓導軌的油腔壓力。由式(1)知，由于在靜壓導軌的封油面上開設油槽，提高了靜壓導軌的液阻，所以在設計靜壓導軌時，為提高靜壓導軌的承載能力和剛度，除合理地設計油腔形狀外，可在導軌的封油面上開設結構尺寸合適的油槽。

圖6 油槽深度對油腔壓力的影響

4 液體靜壓導軌剛度分析

為驗證以上仿真結果是否適用于閉式靜壓導軌，本文建立了相應靜壓導軌油膜的仿真模型和導軌的流固耦合模型(圖7)。導軌模型的整體寬度為300 mm，長為200 mm，高為80 mm。導軌上油腔為非承載面，長70 mm，寬10 mm，封油邊寬10 mm；下油腔為承載面，長60 mm，寬30 mm，封油邊寬15 mm；兩油腔所在平面間距離為35 mm。初始油膜厚度為0.04 mm。液體靜壓導軌的封油面上開設的油槽距離油腔5 mm、寬為0.5 mm、深為0.5 mm。

(a)無油槽導軌流體域模型(b)有油槽導軌流體域模型

(c)閉式靜壓導軌流固耦合模型圖7 閉式靜壓導軌的仿真模型

仿真時，改變施加于導軌的負載分析油膜流場內壓力(圖8)和油膜厚度的變化量。通過仿真得到有無油槽靜壓導軌所受負載與油膜厚度變化量關系曲線如圖9所示。

(a)無油槽靜壓導軌流體域壓力分布

(b)有油槽靜壓導軌流體域壓力分布圖8 靜壓導軌油墊壓力分布云圖

圖9 油膜厚度變化量Δh與負載W關系曲線

根據仿真結果及式(2)和式(3)推知，在靜壓導軌的封油面上開設油槽，提高了液體靜壓導軌的油腔壓力，進而提高了其承載能力和剛度。

5 液體靜壓導軌承載能力和剛度的測定實驗

5. 1 靜壓導軌的承載能力測定

為驗證仿真結果的正確性，根據仿真條件設計了一套靜壓導軌承載能力及剛度測試實驗臺，如圖10所示。實驗時，加載力由加載裝置通過單向力傳感器施加在液體靜壓導軌上，采用電渦流傳感器測量油膜厚度的變化量。實驗過程中改變負載，通過電渦流傳感器得到有無油槽式靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh。實驗測得的靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh與負載W的關系曲線如圖11和圖12所示。

圖10 液體靜壓導軌剛度測試

圖11 無油槽靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh與負載W的關系曲線

圖12 有油槽靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh與負載W的關系曲線

5.2 兩種液體靜壓導軌性能對比

為了對比有無油槽對靜壓導軌承載能力和剛度的影響，根據實驗結果得到有無油槽靜壓導軌的承載能力曲線(圖13)。由圖13可知，在靜壓導軌的封油面上開一油槽，其承載能力能有效提高。

圖13 靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh與負載W的關系曲線

根據靜壓導軌剛度定義，由圖13可得到靜壓導軌的剛度曲線如圖14所示。由圖14可知，在靜壓導軌的封油面上開一油槽，能有效提高靜壓導軌的剛度。

圖14 靜壓導軌油膜厚度的變化量Δh與剛度k的關系曲線

6 結語

為提高液體靜壓導軌的承載能力和剛度等機械性能，本文基于局部壓力損失理論，提出了一種新型高液阻液體靜壓導軌。通過對單墊靜壓導軌封油面上油槽位置、寬度和深度等參數對油腔壓力影響的分析，得知在靜壓導軌的封油面上開設結構參數合理的油槽，可有效提高靜壓導軌的液阻。同時，通過對閉式定量式靜壓導軌承載能力的實驗分析證明了在靜壓導軌的封油面上開設合理的油槽能有效提高靜壓導軌的承載能力和剛度。本文的研究結論可為液體靜壓導軌的結構優化設計提供一定的理論參考。

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(編輯 王艷麗)

A New Method for Improving Mechanical Properties of Hydrostatic Guide-way

Shi Enxiu Guo Pengge Wang Hailong

Xi’an University of Technology,Xi’an,710048

Carrying capacity and oil-film stiffness of hydrostatic guide-way are two important technical parameters. In order to meet the requirements of high precision CNC machine tool for hydrosta-tic guide-way, a new type hydrostatic guide-way with high liquid resistance was put forward based on local pressure loss theory. The simulations were done, which showed the effects of the position, width and depth of oil ring at resistive oil edges of the new hydrostatic guide-way on the oil chamber pressure. It is shown from the results that oil chamber pressures of hydrostatic guide-way may be enhanced significantly if the position, width and depth of the oil ring at resistive oil edges are appropriate. It is verified that the carrying capacity and oil-film stiffness of the new type hydrostatic guide-way with high liquid resistance are improved through the experiments.

oil-film stiffness; carry capacity; oil ring; hydrostatic guide-way with high liquid resistance

2016-02-02

陜西省教育廳自然科學專項(12JK0656)；陜西省自然科學研究項目(2014JM2-5067)；陜西省教育廳重點實驗室科學研究計劃資助項目(13JS072)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.24.003

史恩秀，女，1966年生。西安理工大學機械與精密儀器工程學院副教授。主要研究方向為機床誤差檢測與補償方法研究、移動機器人智能控制及齒輪檢測。郭鵬閣，男，1989年生。西安理工大學機械與精密儀器工程學院碩士研究生。王海龍，男，1989年生。西安理工大學機械與精密儀器工程學院碩士研究生。