液体静压导轨油膜厚度的控制及理论分析
液体静压导轨油膜厚度的控制及理论分析液体静压导轨的油膜厚度对导轨的性能有着重要的影响，为了保证在不同载荷条件下，液体静压导轨具有良好的运动精度和低速平稳性，利用矢量变频调速技术将油膜厚度始终控制在最优值。
在保证控制精度的前提下，降低系统成本，提高系统的可维护性和节能效果。
标签：液体静压导轨;油膜厚度控制;矢量变频调速0 前言液体静压导轨因其摩擦系数小，在起动和停止时没有磨损，精度保持性好等优点，目前被广范应用于航空航天设备、动力机械、军用装备及核工业中，特别是在精密和超精密机床中的应用尤为突出，其性能直接影响机床的加工性能。
液体静压导轨所用的工作介质为液压油，具有黏度大，阻尼特性好等特点，同时，液体静压导轨能够获得较大的刚度和承载能力，其抗振性要明显优于气体静压导轨。
在使用中，静压导轨与动压导轨和滚动导轨相比，需要一套复杂的专用液压设备，其维修、调整较为复杂，使用维护成本较高。
液体静压导轨通常在动导轨面上均匀分布有若干个油腔，通过外部供油系统将具有一定流量的压力油送入相对运动的导轨及油腔里，形成具有压力的油膜层，以此平衡外载荷，同时将动导轨微微抬起，与支撑导轨脱离接触，浮在压力油膜上，而这层油膜一般被称为静压油膜。
静压油膜很薄，其厚度仅在丝级或微米級上，在液体静压导轨中起着吸振减振及误差均化的作用，影响液体静压导轨的运动可靠性和运动精度，同时导轨的油膜厚度又决定了液体静压导轨的两个主要性能指标，导轨承载能力和油膜刚度[1]。
本文以定量供油开式静压导轨为例，从三个方面讨论分析了油膜厚度对导轨性能的影响，并通过矢量变频调速技术对油膜厚度进行控制，使油膜厚度始终处于最优值，为后期油膜厚度的进一步优化提供了理论依据。
1 液体静压导轨工作原理液体静压导轨按照不同的分类方式可分为以下四种：定压供油开式静压导轨、定量供油开式静压导轨、定压供油闭式静压导轨和定量供油闭式静压导轨。
图1为定量供油开式静压导轨工作原理图。
在图1中，电机1带动定量泵2开始供油，定量泵2将油从油箱6中抽出，经粗滤油器7和精滤油器3向进油口4提供压力为流量为的液压油，最后由定量分油器分配给导轨各油腔。
当导轨面上产生的油腔压力足以平衡运动件的重量时，工作台上浮，当空载时在工作台自重的作用下，此时液体静压导轨上、下导轨面间的油膜厚度为。
为了使油液能够循环利用，工作后剩余的油液将通过油腔中的封油边重新流回到油箱6中。
加载后，作用在液体静压导轨工作台上的载荷增大，上导轨下降一个位移，导轨面间的出液液阻增大，油膜厚度减小为，由于定量供油方式中的流量不变，故油腔的压力升高至，从而使导轨处于一个新的平衡状态，以平衡外载荷，反之亦然[2]。
2 油膜厚度的计算液体静压导轨通常将动导轨面分为若干段，每一段相当于一个单独的承载区域，而这些单独的承载区域被称为油垫。
油垫是由油腔、封油边、进油孔和出油孔四部分构成，液压油从进油孔流入出油孔流出，在油腔中形成油膜。
为了计算方便，假定该液体静压导轨采用的是圆导轨，可将其扇形油垫简化为矩形油垫，如图2所示。
由上式可知，在定量供油开式静压导轨中，单个油垫的有效承载面积是定值，流量也是定值;液压油动力黏度在实际工作中会随着油温的升高而降低。
关于油膜厚度是否与液压油动力黏度及油温有关，从文献[4]可知油膜厚度与液压油动力黏度不存在一定的函数关系，即油膜厚度的大小与油液温度和液压油动力黏度无关，但如果要对油膜进行流场分析，液压油动力黏度的变化是不可忽视的。
一般来说，油温应予以控制，不能超过50℃，最好采用恒温控制，故在工程技术计算中一般被认为常数。
因此在不考虑其他方面因素的情况下，油膜厚度只与油腔压力有关，油腔压力的值稍有改变就会引起油膜厚度的剧烈变化。
3 油膜厚度对导轨性能的影响主要从以下三个方面来进行分析。
3.1 导轨承载能力方面所谓承载能力是指液体静压导轨在具有一定厚度的油膜作用下，依靠导轨面间的油膜压力来承受外界负载的能力。
可见，导轨的承载能力是由导轨面间分布的油腔中油膜的压力大小所决定的，其值会随油膜厚度的变化而变化。
油膜厚度的存在使导轨面间不能相互接触，无论在任何速度下始终都能保证导轨面间处于纯液体摩擦状态，由于液体静压导轨的载荷与位移具有非线性关系，因此油膜厚度的大小对承载能力的变化起到了至关重要的影响。
由（4）式可看出，导轨的承载能力不光与油膜厚度、定量泵流量及导轨几何尺寸有关，还与液压油动力黏度有关。
如果只考虑油膜厚度对承载能力的影响，可以发现承载能力与油膜厚度之间存在一个的三次方的反比关系，即，导轨的承载能力随着油膜厚度的增大而呈迅速下降趋势。
因此在实际定量供油开式静压导轨中油膜厚度的取值要合适，不能过大也不能过小，过大则导轨所受外界载荷过小，而要想提高导轨外载荷就必须通过增大油腔压力来实现，这不仅增加了能耗，还有可能使导轨间的位移误差增大，不利于机床加工;而油膜厚度过小则有可能会使导轨间产生相互摩擦，造成导轨面精度的下降。
3.2 油膜刚度方面油膜刚度是指油膜在承受载荷时，当外界负载发生了变化，油膜抵抗负载变化的能力，从而使得导轨从一个平衡状态到另一个新的平衡状态，也可以理解为是润滑油膜在载荷变化时，油膜厚度的变化量。
为了使导轨间的油膜厚度保持均匀，每条导轨面在其长度方向上的油腔个数不得少于2个，动导轨长度在两米以下时，导轨中油腔数目一般取2～4个[5]。
由式（6）、（7）可知，在定量供油开式静压导轨中，当导轨上承受的外载荷和油膜厚度一定时，刚度为一定值。
外载荷决定油腔压力，当外载荷增加时，油腔压力也随之增加，由于向各个油腔的供油量恒定，所以油膜厚度就相应地减小了[6]。
在实际情况下，对于一般的车床，当油膜厚度时，油膜刚度数值大致在左右，而当油膜厚度时，油膜刚度数值则在左右，由此可见对油膜厚度数值的细微改变对于油膜刚度的影响是十分明显的。
3.3 导轨功率损失方面导轨功率损失主要分为摩擦损失和流量损失，从这两个方面来对油膜厚度进行分析计算。
（1）摩擦损失。
设静导轨面上的摩擦副相对滑动速度为，则动导轨面上的切应力为：以上即为总功率损失为最小时的油膜厚度。
可见该油膜厚度不仅与、和等参数有关，而且与、、输入压力等工况有关。
4 液体静压导轨油膜厚度的控制从上面的定量供油开式静压导轨工作原理可看出，随着负载的不断变化，油腔中的油膜厚度也将随之改变，使得油膜厚度不能始终处于最优值或最优范围，这将严重影响导轨承载能力和油膜刚度等性能。
建立油膜厚度控制系统使油膜厚度始终处于最优值或最优范围，将在很大程度上降低负载变化对导轨各项性能的影响，提高运动可靠性及加工精度。
由公式（2）可知，单个油垫的流量在工作中始终保持不变，其数值只与油腔压力、油膜厚度、液压油动力黏度及油垫结构尺寸有关。
当机床型号和工作台尺寸确定下来以后，便存在一个最优油膜厚度值，也就是预设油膜厚度值。
而此时油垫结构尺寸是一定值，油腔压力可由系统中的压力表读出，也是一个定值，液压油动力黏度又可看作是一个常数，因此流量便只与油膜厚度的值有关。
综上所述，要想在实际工作中油膜厚度始终处于最优值或最优范围，就应该使流量变为可调。
4.1 流量与电动机转速的数学关系4.2 油膜厚度控制思路假设一台机床的预设油膜厚度为，可由公式（2）计算出最优油膜厚度下的流量，因为系统采用的是定量泵，其排量恒定，故可根据公式（16）得到相應的电动机转速，此时只要调整电动机转速就能控制油膜厚度始终保持最优值。
虽然直流电动机也能用于调速，但由于直流电动机调速过程中存在节能效果差、设置环境有限、造价高、维护较为困难等缺点，便提出了利用交流电动机矢量变频调速来控制油膜厚度的方法[7]。
4.3 矢量变频调速变频调速是三相异步电动机用来高效调速的一种方法，它不仅能够对三相异步电动机进行无级变速，又能够根据负载的特性，通过调节（电压）与（频率）之间的关系，使三相异步电动机始终处于高效率工作区，并保证稳定的运行。
而矢量控制的基本原理是利用数学变换将三相异步电动机的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两个分量，并单独控制;在此基础上，配合直流电动机的数学模型就可以得到三相异步电动机的矢量变换数学模型，通过调节三相交流电流控制输出转矩和角速度，从而调节异步电动机的转速，通过转速的受控来调节定量泵流量。
矢量控制系统的构成原理图如图3所示。
采用矢量变频调速控制方法可以精确地控制异步电动机的转速，就相当于精确地控制了定量泵的输出流量，从而使油膜厚度始终处于最优值。
5 结语油膜厚度影响着液体静压导轨的运动可靠性和运动精度，油膜厚度的确定不仅要考虑油膜厚度对导轨承载能力和油膜刚度的影响，还要考虑导轨的功率损失，因此在定量供油开式液体静压导轨中，油膜厚度随外界载荷的变化一直处于波动状态。
针对这种情况，提出了利用矢量变频调速控制方法通过精确控制电动机转速来精确控制定量泵的输出油量，从而将油膜厚度始终处于最优值或最优范围。
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液体静压蜗杆传动副的设计及油膜厚度计算
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考
文
献
卜炎等 8 机械传动装置设计手册 8 北京： 机械工业出版社， )!!!8 机械设计手册电机工程手册编辑委员会 8 机械工程手册 8 北京： 机 械工业出版社， )!!18 彭文生等 8 机械设计 8 武汉： 华中理工大学出版社， )!!18
第一作者： 吴晓明， 湖北武汉， 湖北工学院机械工 程系， 邮编： ("$$1B （ 编辑 （*）
力的润滑油输送到油腔中去。压力油从油腔经过四周 的封油面流出， 在封油面形成具有压力的润滑油膜， 利 用油腔和封油面的压力油来承受载荷。
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液体静压蜗杆蜗母条的结构
（$ ） 几何形状 为了提高蜗杆蜗母条承受轴向载
荷的能力， 蜗母条轴向半角可取 %& ’( ， 并适当加大蜗 杆螺纹部分的工作高度。蜗杆蜗母条螺纹的啮合高度 通常取螺距的 )& % * $ 倍
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超过 $" ， 油腔可开在蜗母条牙齿侧面或蜗杆螺纹侧面 上。当油腔开在蜗母条牙齿侧面上时， 每个齿的一侧 开一个油腔。当油腔开在蜗杆螺纹侧面上时， 采用间 断分布的多油腔形式。在后一情况下， 为使其承载能 力的波动不致过大， 要求同时位于蜗母条一个齿侧啮 合区域的完整油腔数不得少于 + * , 个。实践证明， 油 腔设在蜗母条上时， 其承载能力要比油腔设在蜗杆上 高 ")- * "’- 。空载时油腔工作压力一般为 " * "& ’ ./0。 （"） 配油方式 由于蜗杆蜗母条的结构限制， 无 论油腔开在蜗杆上或蜗母条上， 压力油均由配油器通 过蜗杆体内的油孔和蜗杆两侧面的出油孔进入油腔。 配油器保证了蜗杆与蜗母条只在相啮合的部分供给压 力油。 （+ ） 轴向间隙 蜗杆和蜗母条之间的单面轴向间
液体静压导轨及其设计研究
收稿日期:2003-08-04液体静压导轨及其设计研究王东锋(陕西秦川机械发展股份有限公司技术研究院 陕西宝鸡721009)摘要:介绍了液体静压导轨工作原理、特点、分类及适用场合,分析了承载能力、油膜刚度、油膜厚度以及导轨间隙等静压导轨设计的影响因素。
关键词:液体静压导轨;开式导轨;闭式导轨;油膜厚度;导轨间隙;承载能力;油膜刚度中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:0254-0150(2004)4-117-2H ydrostatic Slide and its Design R esearch,China )Abstract ,and the effectfactors for were analyzed.K eyw ;oil film rigidity 入压力油,载荷变化而变化以平衡作用在导轨上的外负载,在不同速度(包括静止)下都能保证导轨面间始终处于纯液体摩擦状态,从而大大减小了两导轨面作相对运动时的摩擦阻力,减小了拖动导轨运动时的动力消耗,并具有很高的运动精度。
1 静压导轨的工作原理及其特点以定压供油开式静压导轨为例,说明静压导轨的11油池 21进油滤油器 31油泵电动机 41油泵 51溢流阀 61粗滤油器 71精滤油器 81压力表 91节流器 101上支承 111下支承图1 定压开式静压导轨原理工作原理。
液体静压导轨通常将移动件导轨分成若干段,每一段相当于一个独立的支承,每个支承由油腔和封油面组成。
如图1所示,来自油泵并经过滤的压力为p s 的油液经节流器节流后压力降为p r ,进入导轨油腔。
当导轨面上有足够的总压力平衡运动件的重量时,支承即被浮起,此时油液通过上、下支承的间隙h 流出,压力降为零。
,即当作用在上下支承的载荷F 增大时,则上支承有下沉的趋势,油膜被压缩,导轨面间的油液外流的液阻增大,由于节流器的调压作用,使油腔压力p r 随之增大(在承载能力范围内),以平衡外载荷。
液体静压导轨支承油膜的有限元分析
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机床与液压
第 35卷
zm ), 用线性插值法容易推导出任一单元形状函数为
p = N ipi i, j, m
其中:
Ni
=
1 2e
( ai
+ biz + ci ),
1
e=
1 2
1
1
i zi j zj , m zm
ai = zj - zm, bi = m - j, ci = j zm - m zj。 由此求得
e
1
4
2 e
h3
e
ar a s +
1
2
br
bs
d dz
由于求解区域内的总压力泛函等于各单元压力泛
函之和, 从而有
E0
J ( p ) = J(e) (p ) e=1
式中 E0 为单元总数。
于是
式中:
E0
J(p) =
J( e) (p ) = [K ] {P } - {F } ( 9)
pi
e= 1
pi
i= 1, 2, , n, n 为节点总数;
个油腔的压力为
i 的第 i
pri
=
1+
Rg Rh0
ps ( 1- A
cos i ) 3
( 3)
式中: Rh0为在设计状态 ( = 0) 时的油腔液阻,
Rh0 =
6ab t h0 [ a ( L - a ) +
bD
0]
h 0 为导轨平均半径间隙;
b为周向封油面宽度;
t 为油膜动力粘度; Rg 为节流器液阻;
式中: D 为导轨直径;
L 为滑块长度;
a 为轴向封油面宽度;
开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究的开题报告
开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究的开题报告
标题：开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的研究
研究背景和意义：
目前，液体静压导轨广泛应用于各种高精度和高速度的机械设备中，如五轴数控机床、加工中心、半导体设备等。
在液体静压导轨中，油膜厚度对其精度、稳定性和寿命等影响巨大。
因此，对液体静压导轨油膜厚度控制技术的研究一直是机械研究领域中的一个热点问题。
研究内容和方法：
本论文旨在探讨一种开式液体静压导轨油膜厚度控制方案，该方案结合了机械、流体力学和控制理论等多个领域的知识，从理论上和实验上分别进行研究和验证。
理论研究方面，本论文将应用流体力学中的液体静压润滑理论和机械学中的运动学、动力学基础，结合导轨特性和液压系统特点建立数学模型。
通过分析模型的解析解和数值解，研究开式液体静压导轨油膜厚度的变化规律及其与各参数之间的关系。
实验研究方面，本论文将利用开放废液系统、PID控制算法等技术手段设计一台开式液体静压导轨测试系统。
在测试系统中，将使用传感器测量导轨油膜厚度，并通过反馈控制实现油膜厚度的控制。
结合实验数据和理论分析结果，验证开式液体静压导轨油膜厚度控制方案的可行性和有效性。
预期成果：
本论文预期通过理论和实验的研究，得到一种开式液体静压导轨油膜厚度控制方案，并验证该方案的可行性和有效性。
该方案将为液体静压导轨的研发和应用提供理论基础和实践指导，对于提升液体静压导轨的性能和提高机械设备的加工精度和稳定性等具有重要意义。
立式车床液体静压导轨的性能分析与研究
立式车床液体静压导轨的性能分析与研究摘要：液体静压导轨是液体静压支承应用的重要方面。
由于具有工作寿命长、摩擦系数低、速度变化和载荷变化对油膜刚度影响小、工作稳定等诸多优点，液体静压导轨被广泛应用于精密加工机床、雷达天线等民用与军用设备中。
随着对数控机床的加工精度和效率要求的不断提高，为了提高工作台承载能力和性能，减少工作台和底座问磨损，延长工作台使用寿命，液体静压导轨在各种数控机床中（特别是重载高精度数控机床）也得到了广泛的应用。
关键词：立式车床;静压导轨;定量供油;薄膜反馈节流1.液体静压支承的原理及特点液体静压技术发展已经有很长的历史。
随着静压技术迅速发展，应用范围不断扩大，几乎遍及整个机械制造行业，包括仪器、冷轧机、雷达天线座等民用与军工的设备上。
静压导轨是静压技术在机床上的重要应用。
随着静压导轨技术的不断成熟，其在机床中的应用也越来越广泛，尤其在数控机床和超精密机床上应用更为广泛。
1.1液体静压支承的原理液体静压支承是借助于输入支承工作面间的液体静压力来支承载荷的滑动支承。
其工作条件为纯液体润滑。
液体静压支承按照供油方式的不同分为如下两种形式（1）定压供油式静压支承：仅由油腔、进油口及四周封闭的封油面即可组成最基本的单油腔静压支承。
由一油泵供油并且在通往油腔的油路上设置节流器。
节流器起到调压的作用，使油腔压力随载荷的变化而自动调节，从而保持油腔压力与载荷平衡。
定压供油式静压支承具有成本低，易于安装维护的优点，但由于设有溢流阀和节流器，所以功率损耗大，油箱容易发热。
通常应用于机床运转功率小的部分。
（2）定量供油式静压支承：供油系统以恒定的流量供给油腔，油腔压力取决于供给的流量和出油液阻。
通常采用定量油泵或定量节流阀来实现恒定流量供油。
定量供油式静压支承具有高可靠性，低功率损耗，低温的优点。
但是由于油路较长，润滑油的压缩性和惯性的影响就较大。
定量供油式静压支承在大型或重型机床的静压轴承和静压导轨上得到广泛的应用。
液体静压导轨技术分析
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与传统导轨相比，液体静压导轨具有明显的优势：由
于导轨之间的摩擦转变为液体摩擦，
使用磨损极
小；如果导轨的运动速度发生变化，对油膜的 度以及厚
度的影响都极小。
2液体静压导轨性能影响因素分析
2.1油膜厚度影响
液体静压导轨的主要性能指标为承载能力和刚度，这
两个指标均与油膜相关。由于上下导轨是通油膜连接，
油膜起到了支承进给系统装置及工件的作用，所以需要油
压导轨，从供油方式又可分为定量式与定压式⑷。本文以闭 式定压液体静压导轨为例，阐述液体静压导轨的工作原理。
闭式定压液体静压导轨是在上下两个相对运动的导 轨面通入一定压 保持不变的压力油，形成一层具有一 定承载能力与度的油膜，使上下两个导轨面分开，浮于 油膜之上，如图2所示。通过流量控制器调节油膜，使油膜 具有一定的承载能力和刚度，保证运动件之间为纯液体摩 擦，从而降低导轨与滑块之间的摩擦力，保证导轨运行时 的精度
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液体静压导轨油膜厚度的控制方案研究
关键 词 ： 液体静 压导轨 ； 油膜厚 度控制 ； 矢量 变频调 速 ； 直流调 速 中图分类 号 ：Ｈ ０ ． Ｔ ７３４ 文献 标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０２—６３ ２０ ）０ —０５ —ｅ ｓｏ ｌ ｉ Ｔｈ ｃ ｎ ｓ ｏ ｄ ｏ ｔ ｔ ｌ ｅ ｎ ｒ ｌＳ ｈ ｍｅ ｆＯｉ Ｆ ｌ ｍ ｉｋ ｅ ｓｆ ｒ Ｈｙ ｒ ｓａ ｉ Ｓｉ ｃ ｄ
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０ 引言
由于具有工作寿命长 、 系数低 、 摩擦 低速下不爬
行及工作状态稳定等诸多技术特点 ， 液体静压导轨 在大型机床 、 重型机床 、 数控机床及精密机床的工作 台及其它运动件等场合得到 ｒ 广泛的应用… 。 １ 油膜刚度 和承载能力是液体静压导轨两个最主 要的性能指标 ， 主要与导轨的油膜厚度有关。在ｔ ｆ ｛ 定流量供油系统中， 当静压导轨 的载荷发牛变化时 。 导 轨的油膜厚度也将随之变化 ， 使得油膜厚度不能
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精冲机静压导轨的油膜刚度设计及控制
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液体静压导轨油膜厚度的控制方案
@ 结语
本文在分析基于直流调速技术的液体静压导轨油 膜厚度开环控制系统的基础上"着重分析了矢量变频 调速技术的实现原理和技术特点"提出了基于矢量变 频调速技术的液体静压导轨油膜厚度开环控制系统* 该方案在确保控制精度的基础上"提升了控制方案的 节能效果和可维护性"并降低了制造成本%
基于直流调速技术的液体静压导轨油膜厚度控制
方案的数学模型为
7 , > , E 8GF HF 8$%0I
(W)
D
%2"
若预设最优油膜厚度值 @"通过公式($) 可以计算
出相应的供油泵输出流量"并利用公式(W) 计算出相
应的电动机转速% 可见"通过控制电动机转速即可实
现对工作台油膜厚度的控制%
虽然直流电动机便于调速"但由于直流电动机中
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由于具有工作寿命长&摩擦系数小&低速下不爬行 及工作状态稳定等诸多技术特点"液体静压导轨在大 型机床&重型机床&数控机床及精密机床的工作台及其 它运动件等场合得到了广泛的应 用#!$ % 油 膜 刚 度 和 承载能力是液体静压导轨两个最主要的性能指标"主 要与导轨的油膜厚度有关% 在恒定流量供油系统中" 当静压导轨的载荷发生变化时"导轨的油膜厚度也将 随之变化"使得油膜厚度不能始终处于最优状态*这将 降低液体静压导轨油膜刚度和承载能力#$$ % 因此"使
机床液体静压导轨油膜厚度确定的研究
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#.$I09 支承面的摩擦力为
H8 .%#.$%I09 式中,$为油液的动力粘度$M/!B+%为密封带部分的 支承面积$?% #
摩擦功率损失为 (’8 .H8I.$%I% 09
.T.!泄漏功率损失 支承面泄漏流量为 J.KJ9" G+
式中,KJ为泄漏系数$取决于静压支承的结构及动力粘 度#
泄漏功率损失为 (’J .GJ.G9J9" G+
导轨支承特性曲线$可见油膜厚度 9 的少量变化就会
使 !值变化较大$也即 G+的显著变化$这对在新的油膜 下提高支承面的承载能力以适应外负载的改变是十分