史恩秀 郭鵬閣 王海龍

西安理工大學(xué)，西安，710048

一種改善靜壓導(dǎo)軌機(jī)械特性的新方法

史恩秀 郭鵬閣 王海龍

西安理工大學(xué)，西安，710048

液體靜壓導(dǎo)軌的承載能力和油膜剛度是衡量其性能的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。為滿足高精密數(shù)控機(jī)床對(duì)靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌。通過(guò)仿真分析了新型高液阻靜壓導(dǎo)軌封油面上的油槽位置、寬度和深度對(duì)油腔壓力的影響。研究表明，在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的油槽可提高液體靜壓導(dǎo)軌的油腔壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的高液阻靜壓導(dǎo)軌能有效提高液體靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌

0 引言

產(chǎn)品加工的超精密、納米化、高速化和信息化需求促進(jìn)了高端超精密加工設(shè)備的發(fā)展。導(dǎo)軌作為加工設(shè)備的重要支承部件，其性能決定了設(shè)備的最終加工特性。液體靜壓導(dǎo)軌因其承載力強(qiáng)、剛度好、吸振性好等優(yōu)點(diǎn)，在大型、重型和超精密加工設(shè)備中得到了應(yīng)用[1-2]。然而在使用過(guò)程中，負(fù)載變化引起的其油膜厚度的波動(dòng)影響了設(shè)備的加工精度。為提高設(shè)備的加工精度，不少學(xué)者將研究重點(diǎn)放在如何提高靜壓導(dǎo)軌的剛度和承載能力上。文獻(xiàn)[3-4]分析了油腔深度對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能的影響，文獻(xiàn)[5]研究了導(dǎo)軌面的加工精度對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能的影響，文獻(xiàn)[6]研究了油腔尺寸和位置對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能的影響。文獻(xiàn)[7]分析了油腔形狀對(duì)靜壓導(dǎo)軌性能的影響。文獻(xiàn)[8]則將研究重點(diǎn)放在如何提高靜壓導(dǎo)軌的出油液阻上。本文以提高靜壓導(dǎo)軌的剛度和承載能力為研究目的，以油液通過(guò)流道時(shí)局部壓力損失產(chǎn)生原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型高液阻靜壓導(dǎo)軌；通過(guò)分析其封油面上油環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油腔壓力的影響，證明了所設(shè)計(jì)的新型靜壓導(dǎo)軌較傳統(tǒng)靜壓導(dǎo)軌有較高的承載能力和剛度。

1 影響靜壓導(dǎo)軌承載能力和剛度的因素

本文以定量供油式液體靜壓導(dǎo)軌為研究對(duì)象。圖1所示為單油墊圓形開(kāi)式靜壓導(dǎo)軌。根據(jù)其承載能力要求，在設(shè)計(jì)狀態(tài)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(shè)計(jì)狀態(tài)下的液阻;μ為液壓油的動(dòng)力黏度。

靜壓導(dǎo)軌的承載能力為

(2)

式中，p為任意狀態(tài)下油腔壓力；Ae為有效承載面積；λ0為液阻比;Rh0、Rh為設(shè)計(jì)狀態(tài)和任意狀態(tài)下液阻；ε為導(dǎo)軌面間的相對(duì)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(kāi)式靜壓導(dǎo)軌

靜壓導(dǎo)軌的剛度為

(3)

由式(2)和式(3)可知，要提高靜壓導(dǎo)軌的承載能力和剛度，可提高油腔壓力p或?qū)к売行С休d面積Ae。提高Ae會(huì)增大導(dǎo)軌的體積。由式(1)知，提高靜壓導(dǎo)軌的出油液阻可提高油腔壓力p。依此本文設(shè)計(jì)一種新型靜壓導(dǎo)軌，在不改變油墊幾何參數(shù)和進(jìn)油量的前提下，達(dá)到改善其性能的目的。

2 油槽局部壓力損失產(chǎn)生機(jī)理分析

油液流經(jīng)變截面的流道時(shí)，因油液的流速發(fā)生突變從而產(chǎn)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(chǎn)生的，而是在一定區(qū)間范圍內(nèi)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(guān)，且與突變后的區(qū)間范圍有關(guān)。因此，本文設(shè)想在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)一油槽，當(dāng)油液流經(jīng)設(shè)有油槽的平行平板式封油面時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生沿程壓力損失，也將因流道的截面突變而產(chǎn)生局部壓力損失。如果所產(chǎn)生的總壓力損失高于無(wú)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(jīng)油槽時(shí)局部壓力損失的產(chǎn)生機(jī)理，本文對(duì)油液流經(jīng)油槽時(shí)的流線進(jìn)行了仿真分析。對(duì)給定深度的油槽，改變其寬度B，油液流經(jīng)油槽時(shí)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(duì)油液流動(dòng)特性的影響

由圖2可知，油槽寬度太小(圖2a)，油液流經(jīng)油槽時(shí)，沒(méi)有足夠的長(zhǎng)度產(chǎn)生局部壓力損失，失去了開(kāi)設(shè)油槽的意義。油槽寬度太大(圖2c)，油液流經(jīng)油槽時(shí)，有足夠的長(zhǎng)度產(chǎn)生局部壓力損失，同時(shí)也有沿程壓力損失產(chǎn)生。油液流經(jīng)平行平板縫隙時(shí)所產(chǎn)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(chǎn)生提供了足夠的空間，但導(dǎo)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(guò)大。相應(yīng)地，給定油槽寬度，油槽深度不能太小或太大。

3 油槽參數(shù)對(duì)油腔壓力的影響分析

為驗(yàn)證以上假設(shè)的可行性，參考圖1所示的靜壓導(dǎo)軌建立了如圖3所示的有油環(huán)油墊的靜壓導(dǎo)軌三維模型。其中，r1=45 mm，r2=60 mm，h0=0.04 mm，h=2 mm，d=3 mm，進(jìn)油口長(zhǎng)度為20 mm。利用ANSYS CFX，通過(guò)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(duì)油腔壓力的影響。仿真時(shí)假設(shè)：①流體不可壓縮，且為定常流動(dòng)；②油液與固體之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng);③油腔出油口壓力為零；④忽略潤(rùn)滑油慣性;⑤不考慮熱變形對(duì)工作臺(tái)的影響。

圖3 帶油環(huán)油墊的靜壓導(dǎo)軌模型

為分析油槽對(duì)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(dòng)力黏度為0.035 Pa·s(46號(hào)導(dǎo)軌油)。

3.1 油槽位置對(duì)油腔壓力的影響分析

圖4 油槽位置對(duì)油腔壓力的影響

要分析油槽對(duì)油腔壓力的影響，首先要確定其位置對(duì)壓力的影響。仿真時(shí)，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(jié)果如圖4所示(圖中橫坐標(biāo)上的0和15 mm對(duì)應(yīng)的壓力即為無(wú)油槽時(shí)的油腔壓力)。由仿真結(jié)果知，油槽位置對(duì)油腔壓力有影響。一般地，油槽在距離油腔5 mm處，油槽對(duì)油腔壓力的增加效果最好。以下仿真時(shí)取油槽距油腔距離為5 mm。

3.2 油槽寬度對(duì)油腔壓力的影響分析

為分析油槽寬度對(duì)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(shí)，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(jié)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(yīng)地r2分別為60，55，50 mm。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 油槽寬度對(duì)油腔壓力的影響

由圖5知，封油邊上開(kāi)有油槽時(shí)，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(dá)到某一值時(shí)油腔壓力達(dá)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(dá)到最大。

3.3 油槽深度對(duì)油腔壓力的影響分析

根據(jù)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(duì)油腔壓力進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6知，封油面上的油槽深度增大時(shí)，油腔壓力有明顯提高，但當(dāng)油槽深度達(dá)到某一值而油腔壓力達(dá)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(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)尺寸合理的油槽，可提高液體靜壓導(dǎo)軌的油腔壓力。由式(1)知，由于在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)油槽，提高了靜壓導(dǎo)軌的液阻，所以在設(shè)計(jì)靜壓導(dǎo)軌時(shí)，為提高靜壓導(dǎo)軌的承載能力和剛度，除合理地設(shè)計(jì)油腔形狀外，可在導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)尺寸合適的油槽。

圖6 油槽深度對(duì)油腔壓力的影響

4 液體靜壓導(dǎo)軌剛度分析

為驗(yàn)證以上仿真結(jié)果是否適用于閉式靜壓導(dǎo)軌，本文建立了相應(yīng)靜壓導(dǎo)軌油膜的仿真模型和導(dǎo)軌的流固耦合模型(圖7)。導(dǎo)軌模型的整體寬度為300 mm，長(zhǎng)為200 mm，高為80 mm。導(dǎo)軌上油腔為非承載面，長(zhǎng)70 mm，寬10 mm，封油邊寬10 mm；下油腔為承載面，長(zhǎng)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(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)的油槽距離油腔5 mm、寬為0.5 mm、深為0.5 mm。

(a)無(wú)油槽導(dǎo)軌流體域模型(b)有油槽導(dǎo)軌流體域模型

(c)閉式靜壓導(dǎo)軌流固耦合模型圖7 閉式靜壓導(dǎo)軌的仿真模型

仿真時(shí)，改變施加于導(dǎo)軌的負(fù)載分析油膜流場(chǎng)內(nèi)壓力(圖8)和油膜厚度的變化量。通過(guò)仿真得到有無(wú)油槽靜壓導(dǎo)軌所受負(fù)載與油膜厚度變化量關(guān)系曲線如圖9所示。

(a)無(wú)油槽靜壓導(dǎo)軌流體域壓力分布

(b)有油槽靜壓導(dǎo)軌流體域壓力分布圖8 靜壓導(dǎo)軌油墊壓力分布云圖

圖9 油膜厚度變化量Δh與負(fù)載W關(guān)系曲線

根據(jù)仿真結(jié)果及式(2)和式(3)推知，在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)油槽，提高了液體靜壓導(dǎo)軌的油腔壓力，進(jìn)而提高了其承載能力和剛度。

5 液體靜壓導(dǎo)軌承載能力和剛度的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

5. 1 靜壓導(dǎo)軌的承載能力測(cè)定

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，根據(jù)仿真條件設(shè)計(jì)了一套靜壓導(dǎo)軌承載能力及剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，加載力由加載裝置通過(guò)單向力傳感器施加在液體靜壓導(dǎo)軌上，采用電渦流傳感器測(cè)量油膜厚度的變化量。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變負(fù)載，通過(guò)電渦流傳感器得到有無(wú)油槽式靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh與負(fù)載W的關(guān)系曲線如圖11和圖12所示。

圖10 液體靜壓導(dǎo)軌剛度測(cè)試

圖11 無(wú)油槽靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh與負(fù)載W的關(guān)系曲線

圖12 有油槽靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh與負(fù)載W的關(guān)系曲線

5.2 兩種液體靜壓導(dǎo)軌性能對(duì)比

為了對(duì)比有無(wú)油槽對(duì)靜壓導(dǎo)軌承載能力和剛度的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到有無(wú)油槽靜壓導(dǎo)軌的承載能力曲線(圖13)。由圖13可知，在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)一油槽，其承載能力能有效提高。

圖13 靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh與負(fù)載W的關(guān)系曲線

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

圖14 靜壓導(dǎo)軌油膜厚度的變化量Δh與剛度k的關(guān)系曲線

6 結(jié)語(yǔ)

為提高液體靜壓導(dǎo)軌的承載能力和剛度等機(jī)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(dǎo)軌。通過(guò)對(duì)單墊靜壓導(dǎo)軌封油面上油槽位置、寬度和深度等參數(shù)對(duì)油腔壓力影響的分析，得知在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的油槽，可有效提高靜壓導(dǎo)軌的液阻。同時(shí)，通過(guò)對(duì)閉式定量式靜壓導(dǎo)軌承載能力的實(shí)驗(yàn)分析證明了在靜壓導(dǎo)軌的封油面上開(kāi)設(shè)合理的油槽能有效提高靜壓導(dǎo)軌的承載能力和剛度。本文的研究結(jié)論可為液體靜壓導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xué)專項(xiàng)(12JK0656)；陜西省自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2014JM2-5067)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)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(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)床誤差檢測(cè)與補(bǔ)償方法研究、移動(dòng)機(jī)器人智能控制及齒輪檢測(cè)。郭鵬閣，男，1989年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院碩士研究生。王海龍，男，1989年生。西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院碩士研究生。