精密数控机床闭式静压导轨结构设计及油腔流场研究.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 5 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Au g ． 2 0 1 4 V0 1 ． 4 2 No ．1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 5 ． 0 2 1 精密数控机床闭式静压导轨结构设计及油腔流场研究 李松，宋锦春 ，王长周，任广安 东北大学机械 工程与 自动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要针对精密数控机床对导轨精度的要求 ，设计一种基于薄膜反馈节流器的闭式静压导轨系统，并根据无穷大刚度 原则计算了导轨的结构参数。利用三维软件 S o l i d Wo r k s 建立静压导轨油腔的三维模型 ，导入流体力学软件 F L U E N T的前处 理器 G a m b i t 进行网格划分；在设定一定进 口压力条件下，给定导轨在静止状态和移动状态下的静压腔流场与温度场的变化 规律。通过 F L U E N T的数值分析得到 在相对静止状态下，静压腔的流场成对称分布；相对速度变大时，静压腔流场在边 缘区域压力成不规则的下降 ，温度在此区域急剧上升，容易出现 “ 气穴”现象 ，致使油液发热，从而导致导轨运动精度降 低。 关键词闭式静压导轨 ；F L U E N T ；压力场；流场；温度场 中图分类号T G 5 8 0 ． 2 3 2 文献标识码A 文章编号 St r u c t ur a l De s i g n a n d Re s e a r c h o n Oi l Cha mbe r Fl o w Fi e l d f o r Cl o s e d Hy dr o s t at i c Gu i de wa y o f Pr e c i s i o n CNC M a c h i ne L I S o n g ，S O NG J i n c h u n ，WANG C h a n g z h o u，R EN Gu a n g a n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g A u t o ma t i o n ，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g l 1 0 8 1 9 ，C h i n a Abs t r ac t To f ul fil l t he a c c ur a c y r e qu i r e me nt o f p r e c i s i o n NC ma c h i n e t o o l s，a k i n d o f c l o s e d h y d r o s t a t i c g ui d e wa y s y s t e m wa s d e s i g n e d b a s e d o n t h i n fi l m f e e d b a c k t h r o t t l e r ，a n d t h e s t r u c t u r a l p a r a me t e r s o f t h e g u i d e w a y we r e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e i n fi n i t e s t i f f ne s s p rin ci p l e ．Thr e e di me ns i o n a l s o ft wa r e S o l i d W o r k s a n d Ga mb i t we r e us e d t O e s t a b l i s h oi l c h a mb e r mo d e l o f h y d r o s t a t i c g ui d e w a y a n d g e n e r a t e me s h r e s p e c t i v e l y ．U n d e r t h e s a me i n l e t p r e s s u r e ，t h e d i s t ri b u t i o n l a w s o f f l o w fi e l d i n s t a t i c p r e s s u r e c h a mb e r a n d t e mp e r a t u r e fi e l d we r e o b t a i n e d r e s p e c t i v e l y d u ri n g t h e g u i d e w a y s t o p p i n g a n d mo v i n g ．I t i s c o n c l u d e d t h a t ，t h e d i s t r i b u t i o n o f fl o w fi e l d i n s t a t i c p r e s s u r e c h a mb e r i s s y mme t ric a l ，a n d wh e n r e l a t i v e v e l o c i t y i n c r e a s e s ，t h e p r e s s u r e n e a r e d g e z o n e o f fl o w fi e l d i n s t a t i c p r e s s ur e c h a mbe r d e c r e a s e s u n r e g u l a r l y，a n d t he t e mpe r a t u r e o f t he z o ne ris es i nc r e a s i ng l y，wh i c h wi l l c a us e c a v i t a t i o n，o i l e mi t t i ng h e a t a n d t he k i n e ma t i c a c c u r a c y o f g ui d e wa y r e du c i n g ． Ke y wo r d s C l o s e d h y d r o s t a t i c gu i d e w a y；F L U EN T；P r e s s u r e fi e l d； F l o w fi e l d ；T e mp e r a t u r e fi e l d 精 密加工设备 是实现精 密加 工技术 的必需 手段 ， 而精密机床 的性 能取决 于其关键部 件的性 能。导 轨是 精 密机床 的关 键 部件 之一 ，直接 影 响精 密加 工 的精 度 ⋯。液体静 压润滑具 有摩擦 阻力小 、使用 寿命 长 、 抗震性 能好 、精度高 、适应性好等特点 。采用 液体 静压支撑能够使机床实现高精度、低损耗的加工。 静 压导轨 是静压 支承的一种应 用形式 。静压 导轨 按结构 可分为 开式 静压 导 轨和 闭式 静压 导 轨两 种形 式。由于闭式 静压导轨的特殊结构 ，它可以承受不均 匀载荷 和因偏 载引起 的较大的倾 覆力矩。因此闭式静 压导轨常用在精密机床或机械设 备上 。 文 中研 究的静 压导 轨是 H T C 3 2 5 0 1 x n精密 数控 车 床和车削中心的静压导轨系统的研 究 内容 ，为实现导 轨系统的高精度性能 ，采用闭式静压导轨系统 ，其液 压原理图如图 1所示 。 1 一 空气 滤清 器 2 ～ 吸油 过滤 器 3 一 油泵 4 一 电动 机 5 一单向阀 6 一溢 流 阀 7 D 截止 阀 8 一 压力 表 9 一 管路 过 滤器 1 0 - -- - 强磁 过滤 器 l l 一 蓄 能器 1 2 -- 压力 变送 器 1 3 一 双面 薄膜 节流 器 图 1 静压导轨系统液压原理 图 1 对置油腔结构设计 根据机床的具体参数和加工工艺 ，以 轴导轨 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 3 基金项 目国家 “ 十一五” 机床重大专项 资助项 目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 0 5 3 作者简介 李松 1 9 8 7 一 ，男 ，博 士 研 究生 ，主 要从 事 液 压传 动和 静 压 导 轨技 术 方 面 的研 究 。Em a i l l i s o n g s n o w 1 6 3． c o n。 第 l 5期 邵伟平 等新型机械换向长冲程抽油机设计与分析 9 1 7 7 地叼 l 叼 2r ／ 3 1 4 式 中 叩 。 为 电动 机效 率 ；叩 为皮 带 一减 速 器效 率 ； 卵 为四连杆系统效率。 查阅相关文献认为，常规抽油机由于载荷的不均 匀及电机功率因数较低等原因造成的电机功率 。 8 0 ％ 1 5 在皮带 一减速器传动 系统 中，皮带 的效率 为 9 0 ％左右 ，齿轮的传动效率较高，一般认为为 9 8 ％ 左右 3副 ，轴承的效率为 9 9 ％ ，那么整个传动系 统 的功率 为 7 2 7 皮 带 r ／ 齿 轮 r ／ 轴 承 1 6 将各 部件效 率代入 式 1 6 得 r ／ 8 2 ． 2 ％ 四连杆机构包括曲轴 、连杆 、游梁 、钢丝绳 ，它 的效率主要受摩擦损失和驴头钢丝绳变形损失的影 响 ，传递效 率 r ／ 3 9 2 ％ 1 7 由式 1 4 一 1 7 可知，常规抽油机地面传 动系统的整体机械效率为 田地 r ／ l叩2叼3 8 0％ 8 2 ． 2％ 9 2％ 6 0 ． 5 ％ 差速器换 向抽油机的地面传动一 减速系统 由驱动 电机 、减 速齿轮构 成 ，它的主要机械损失 由驱动电机 损失、齿轮传动系统损失、滚筒传动系统损失几部分 组成，由于差速器换向抽油机载荷均匀 ，匀速运动时 间段较长 ，加之电动机采用永磁电动机 ，功率因数较 高，所以在抽油系统中电动机的效率较高，可达到 叩 9 0 ％ 1 8 差速器换向抽油机的减速器中，齿轮的传动效率 较高，一般认为 为 9 8 ％左 右，轴承 的传 动效率 为 9 9 ％ ，传动减速部分中效率为 叼 2 ’ 7 齿 轮 ’ 7 轴 承 1 9 将效率值代入式 1 9 得 叼 8 6 ． 8 ％ 滚筒传动效率主要是受轴承摩擦损失及钢丝绳变 形损失影 响，其 中钢丝绳 的传 动效率 为 9 9 ％ 两 副 ，那么整个滚筒传动系统的效率为 r ／ 3 2 9 8 ％ 2 0 由式 1 4 、 1 8 、 1 9 、 2 0 得 田地 ’ 7 l X叩2r ／ 39 0％ 8 6 ． 8 ％9 8 ％ 7 6 ． 5％ 常规抽油 机 的地 面效 率 为 6 0 ． 5 ％ ，而 新型 抽 油 机为 7 6 ． 5 ％ ，提高 了 1 6 ％ 。 4结束语 对新型抽油机的设计分析表 明与游梁抽油机相 比，地面效率提高 1 6 ％，达到 了节能减耗的 目的， 节能效果 明显 。并且通过使用滑轮组可 以起到省力省 功 的作用 。换 向减速器和制动器具有较好的安全性和 可靠性，使用和维修方便。新型抽油机匀速运动时间 长，动载小 ，最大扭 矩仅 为游 梁抽油机 的 1 6 ％ ～ 3 3 ％，并且扭矩不随冲程长短变化。 参考文献 [ 1 ]张晓东， 贾国超． 关于我国抽油机发展的几点思考[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 8 1 2 6 2 7 ． [ 2 ]张清林． 抽油机的现状、 发展方向及其节能技术的探索 [ J ] ． 科技创新导报， 2 0 0 8 2 9 7 ． [ 3 ]方仁杰， 朱维兵． 抽油机历史现状与发展趋势分析[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 1 1 ， 3 4 2 6 0 6 3 ． [ 4 ]廖大林． w 型曳引抽油机设计分析[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 9， 3 8 9 4 2 4 5 ． [ 5 ]林伟， 胡福健． 抽油机液压刹车制动装置的研究与应用 [ J ] ． 新疆石油科技， 2 0 1 0 ， 2 0 4 5 1 5 3 ． [ 6 ]张建成， 路亚莉． 游梁式抽油机与摩擦换向抽油机特性 比较[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 6 ， 3 5 7 2 7 5 ． [ 7 ]肖文生， 周小稀， 谷玉洪． 直线电机抽油机与游梁式抽油 机性能对比[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 6 ， 3 5 5 8 0 8 3 ． 上接第 8 7页 [ 4 ]A B B O T t M B， B A S C O D R ． C o m p u t i o n a l F l u i d D y n a m - i c s A n I n t r o d u c t i o n f o r E n g i n e e r s [ M] ． E n g l a n d L o n g ma n S c i e n t i f i c T e c h n i c a 1 ． 1 9 8 9 ． [ 5 ]Z H A N G J i e ， D R I N K WA T E R B W． T h i n O i l ． fi l m T h i c k n e s s D i s t ri b u t i o n M e a s u r e m e n t U s i n g U l t r a s o n i c A r r a y s [ C] ／ ／ NDT E I n t e r na t i o n a l ， 20 08 59 6 6 01 ． [ 6]Z E N G P ．C o m p o s i t e E l e m e n t M e t h o d f o r V i b r a t i o n o f S t r u c t u r e [ J ] ． J o u rnal o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 9 8 2 1 8 6 5 96 9 6 ． [ 7 ]Y A D A V J S ， K A P U R V K ． V a r i a b l e V i s c o s i t y a n d D e n s i t y E f f e c t s i n a P o r o u s H y d r o s t a t i c T h rus t B e a r i n g [ J ] ． We a r ， 1 9 9 1 ， 6 9 3 2 6 l一 2 7 5 ． [ 8 ]Y u X i a o d o n g ， ME N G X i u l i ， WU B o ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n T e mp e r a t u r e F i e l d o f Hy d r o s t a t i c T h r u s t Be a rin g wi t h An n u l a r C a v i t y Mu l t i p a d [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， 2 0 1 1 ， 1 2 11 2 6 3 4 7 7 3 4 8 1 ． [ 9 ]S H AO J u n p e n g ， Y A N G X i a o d o n g ， WA N G Y u n f e i ， e t a 1 ． R e s e arc h o n T e mp e r a t u r e F i e l d Di s t ri b u t i o n o f He a v y Hy d r o s t a t i c T h r u s t B e a rin g Ro t a t i o n wo r k b e n c h a t D i f f e r e n t Ro - t a t i n g V e l o c i t y [ J ] ． A d v a n c e d Ma t e ri a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ， 2 3 9 2 4 2 2 70 B一2 7 0 6 ． [ 1 0 ]WA N G J i a n h u a ， D U We i ， L I U Z h i f e n g ， e t a 1 ． T h e T h e r m a l C h a r a c t e r i s t i c s An aly s i s o f a S u p e r Hy d r o s t a t i c Gu i d e w a y [ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e ri a l s ， 2 0 1 3 ， 2 4 8 1 6 2 1 6 6．