定壓供油式數(shù)控滾齒機靜壓導軌流體仿真

鄭 永，王 輝，，陳 艷，張?zhí)旌?，周啟武，鐘自?/p>

（1.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程中心，重慶 400054；3.重慶理工大學 電氣與電子工程學院，重慶 400054）

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

靜壓導軌具有摩擦因數(shù)低、工作使用壽命長、抗震性能好、適應性強等的特點。由于開式導軌需要依靠工作臺的自重和工件的載荷來保持運動件不從床身上分離，且只能承受單向載荷，因此大多數(shù)的精密機床采用閉式靜壓導軌［4-5］。

通過對毛細管節(jié)流式閉式靜壓導軌的油膜進行三維有限元建模［6-7］及流體油膜的仿真，對油膜的壓力場和流場進行分析研究，通過對數(shù)控回轉工作臺在靜態(tài)及不同工作時速下油墊內流體的流速和壓力變化進行研究，揭示了回轉工作臺在不同速度下油腔各處壓力、流體的運動狀況對靜壓導軌性能的影響，具有實際的應用參考價值。

1 數(shù)控滾齒機毛細管節(jié)流式靜壓導軌的液壓原理

液體靜壓導軌的供油方式有2種：定壓供油和定量供油。在定壓供油的導軌系統(tǒng)中，各個油腔進油腔孔前必須設置節(jié)流器［8］。本研究中以某數(shù)控滾齒機的閉式靜壓導軌為研究對象，使用可調式毛細管節(jié)流器，其工作原理圖如圖1所示，工作流程為：啟動電機，帶動油泵給整個系統(tǒng)供油，液壓油經過粗過濾器吸入，通過溢流閥調節(jié)供油壓力，再經過精過濾器過濾，經過每一個節(jié)流器降壓到油腔壓力后進入導軌的油腔，在2個相對的導軌面間通入壓力油，使運動件浮起，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 可調式毛細管節(jié)流油腔閉式靜壓導軌的設計計算

圖2 靜壓導軌主導軌示意圖

2.1 閉式靜壓導軌的有效承載面積

對于圓環(huán)導軌，由于其直徑相對于油腔的徑向寬度很大，油腔的數(shù)目又比較多，所以可以把扇形油墊簡化為矩形油墊計算［9-10］，如圖3、4所示，其中一組對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)控滾齒機靜壓導軌油墊的各參數(shù)值如表1所示。

表1 主導軌油墊的各參數(shù)值

2.2 閉式靜壓導軌的承載力

當被支撐件在載荷作用下處于某一位置時，W為上下油墊推力之差所平衡，即

在一定的進油壓力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管長度和直徑；h0為設計油膜厚度，即工作臺自重情況下的油膜厚度。

2.3 油膜厚度

式中：ε為位移率；h0為設計油膜厚度。

2.4 油膜剛度

2.5 一個對置油墊的流量

式中：μ為機械潤滑油的動力黏度。

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］判別液體的流動狀態(tài)。雷諾數(shù)Re的公式為：

（2）閉合開關后，無論怎樣調節(jié)滑動變阻器，發(fā)現(xiàn)小燈泡不發(fā)光，電流表無示數(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“滑動變阻器處斷路”）。

式中：Q為液體的流量；Y為流過截面的濕周；v為運動黏度；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時，Re＜2 320，則一定是層流，Re＞13 800時，一定是紊流，在其中為過渡狀態(tài)。經計算得到Re＜2 320，實際的工作在層流。

3.2 Comsol流體仿真

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

圖5 主導軌流體模型示意圖

油膜厚度為0.03 mm時，工作臺速度分別為0、20、50、100 rad/min時對液體油膜的流速的影響如圖6所示。

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

靜壓導軌的油墊油壓分布如圖7所示。由圖7可以看出，靜壓導軌的高壓分布區(qū)與低壓分布區(qū)，進油口處的壓強最大，回油處的壓力最小，壓力分布均勻。在工作臺轉速從靜態(tài)到100 rad/min逐漸增大時，出現(xiàn)動壓的情況且越來越明顯。

圖6 速度矢量圖

圖7 油壓分布圖

4 仿真結果與實驗結果分析

在油膜厚度為0.03 mm的工作情況下，從工作經驗出發(fā)，進油壓力通常為15～17 MPa，工作臺轉速通常在20～25 rad/min。因此，進油壓力每隔0.1 MPa、工作臺轉速每隔0.1 rad/min進行仿真，計算得到的油腔內油膜承載力與0.03 mm處油膜的承載力，通過matlab生成mesh圖像，如圖8所示。

仿真結果表明，隨著工作臺轉速的增大，潤滑油的流速增大，在進油壓力、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。油腔內出現(xiàn)動壓現(xiàn)象，流速增大，油腔內的承載力有變小的趨勢。

圖8 油腔進油壓力、工作臺轉速、承載力關系

通過傳感器及玻璃球在空載時進行實驗驗證，實驗現(xiàn)場布置如圖9所示。

圖9 實驗現(xiàn)場布置

開啟液壓時，電感測微儀顯示的值為-51μm，開啟液壓將進口壓力調節(jié)至16 MPa，工作臺分別以20、25 rad/min順時針及逆時針旋轉各10圈，工作臺每轉一次采集傳感器到達玻璃球最高點時電感測微儀的值，得到的處理結果見表2。

由實驗結果可得，隨著工作臺速度的增大，油膜厚度變小，由于進油壓力不變，潤滑油的流速增大，工作臺和油膜的接觸面與靜態(tài)時相比承載力變大。由于油膜厚度變小，油腔內受到的壓力與靜態(tài)時相比承載力變小?？梢姡瑢嶒灲Y果與Comsol流體仿真的結果一致，仿真的結果有效。

表2 實驗值的處理結果 μm

5 結論

運用Comsol Multiphysics的流體仿真模塊對毛細管節(jié)流式液體靜壓導軌的流場和壓力場進行了仿真計算，并對所得到的結果進行了分析比較。仿真的結果反映了工作臺不同轉速下流體的流動狀況、油膜壓力的狀況以及此時的承載力的大小。研究結果表明，工作臺轉速對流體的流速及方向影響較大，對油膜壓力的影響也較大。