CN102975031A - 自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种自适应、温度变化范围大的多油腔恒流静压系统，由一个变量供油模块和一个或多个定量供油模块组成。变量供油模块以及定量供油模块由变频电机、电动机、定量泵、单向阀和滤油器组成。在变量、定量供油模块与多点齿轮分油器之间设置有溢流阀；多点齿轮分油器与工作台恒流静压导轨之间设置有压力表和压力传感器；恒流静压导轨的静压油腔中设置有温度传感器。变量供油模块提供工作台静压系统需要的最小流量，以及一定的流量变化范围。定量供油模块的流量固定，其值等于或大于变量供油模块的流量变化值，用于拓展变量供油模块的流量变化范围。以实现承载、温度变化范围大情况下工作台浮升量的自动调整，保证工作台可靠稳定的回转精度。

Description

自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统

技术领域

本发明涉及一种自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统，可应用于承载变化范围大、温度变化范围大的多油腔恒流静压导轨，如重型数控立车工作台静压导轨。

背景技术

重型数控立车工作台，特别是超重型数控立车工作台，目前多采用预载恒流静压导轨型式，承载能力大。从空载到满载，工作台静压导轨都应能正常工作；若工作台浮升量过大，则油膜刚度降低，影响加工精度，若工作台浮升量过小，则易导致静压导轨副直接接触而产生研伤；因此，工作台浮升量应在一个正常范围内。

对于重型数控立车的工作台，在各油腔油膜厚度一致的情况下，静压系统流量的计算公式如下：

$q=\frac{a_p{\mathrm{\δ}}^{3}p}{12\mathrm{\μ}}\×n_e---\left(1\right)$

式中，q为总流量，a_p为油腔节流边系数，仅与油腔结构有关，δ为油膜厚度，p为油腔静压，μ为液压油的动力粘度，n_e为油腔个数。p的计算式为：

$p=\frac{W_1+W_2}{n_e\×A_e}---\left(2\right)$

式中，W₁为工作台自重，W₂为工件重力值，A_e为单个油腔的有效承载面积。

考虑到工作台本身的自重，从空载到满载，静压导轨的载荷W₁+W₂一般会增大到i_w=2~3倍，由公式(2)知，油腔静压p也会增大到i_w倍。环境温度变化对液压油的粘度影响很大；以N46液压油为例，当温度从10℃变化到50℃时，液压油的粘度将减小为1/8，在承载不变(也就是油腔静压p不变)的情况下，由公式(1)知，静压供油系统的供油量q必须增大i_t=8倍，才能保证油膜厚度δ不变，维持原有的工作台浮升量。因此，综合考虑静压导轨的载荷变化量和油温引起的液压油粘度变化量，要求静压系统的设计，能保证最大供油量与最小供油量的比值（即总流量的变化幅度）达到i=i_w×i_t倍；若考虑到更极端的异常情况，则要求比值i更大。

传统的设计，采用多个“Y系列电机+齿轮泵/叶片泵”给静压油腔供油，不同排量的两个、三个或更多的泵组成一个泵组；泵组中的所有泵均工作时，提供最大流量，只开小泵时，提供最小流量。但该种方法只能提供有限的几种流量值，且相邻流量值的比值不能太大，否则油膜厚度可能超出允许范围。由公式(1)知，在油腔静压p、液压油粘度μ不变的情况下，若流量值q增大为2倍，则油膜厚度增大为

倍；因此，将相邻流量值的比值设为2，可保证将油膜厚度调整到一个合适的范围内，如0.12~0.16mm（因为0.16/0.12=1.33>1.26），满足工程实际的需要。设比值为2，则对于三泵组成的泵组，设小泵流量为1，此时各泵流量分别为1、2、6，泵组总流量的变化幅度最大为9倍；四泵组成的泵组提供的流量变化幅度最大为27倍，此时各泵流量分别为1、2、6、18。显然，三泵组合不能满足实际工程需要，通常采用工作台主轴处加预载的方法，抑制工作台浮升量；即在工作台主轴配置一推力轴承，该轴承与工作台一起浮升，重载情况下，推力轴承上部的轴圈与主轴上法兰盖存在间隙，推力轴承不起作用，空载或轻载情况下，若工作台浮升过大，则推力轴承上部的轴圈与主轴上法兰盖接触，法兰盖通过推力轴承对工作台施加向下的轴向力F_a（即预载），限制工作台的浮升；采用加预载的方法，静压导轨载荷变化范围比为

减小了，不需要过大的流量变化幅度；但F_a过大，会对主轴预载用推力轴承的寿命和主轴变形造成不利影响。而四泵组合太复杂，工程上没有应用。

柱塞泵+伺服阀方法，通过伺服阀调节柱塞泵的斜盘角度，精确地控制流量，可实现闭环控制，最小流量可以很小。但是柱塞泵对液压油的污染很敏感，不太适合在重型机床上推广应用，成本也很高。

采用“变频电机+定量泵”型式，可以改变泵的流量。叶片泵的转速不能过低，其转速变化范围不大，齿轮泵成为最好选择，但其转速变化范围最大也只能到7倍，不能很好地满足要求。

因此，需要寻求一种新的方法，解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有重型数控立车工作台静压系统的不足，吸取传统的泵组方法和“变频电机+齿轮泵”方法的优点，采用两个或两个以上的泵组成泵组，最小的泵采用变频电机驱动，其余泵仍采用Y系列电机驱动。以解决在不同工况下，将重型数控立车工作台恒流静压导轨浮升量控制在正常范围内的问题。

本发明所说的自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统，主要由一个变量供油模块、一个或一个以上的定量供油模块、多点齿轮分油器、溢流阀、压力传感器、温度传感器等组成。变量供油模块由变频电机、定量泵、单向阀和滤油器组成；定量供油模块由电动机(转速不可调)、定量泵、单向阀和滤油器组成。变量供油模块与定量供油模块并行设置。在变量供油模块、定量供油模块与多点齿轮分油器之间，设置有压力表、精滤油器和溢流阀，溢流阀起安全作用，正常工作情况下，溢流阀没有油流出。多点齿轮分油器与工作台恒流静压导轨之间设置有压力表和压力传感器；恒流静压导轨的静压油腔中设置温度传感器，压力传感器用于检测静压油腔的压力值，温度传感器用于检测静压油腔压力油的温度。

变量供油模块的变频电机的低转速与定量泵配合，形成静压系统需要的最小流量，定量供油模块中的定量泵的流量选择得合适，与变量供油模块的流量调节范围配合，即能实现对整个泵组从最小流量到最大流量范围的全覆盖，与油膜测厚系统配合形成闭环，可实现对工作台油膜厚度的精确调节。若需要更大的流量调节范围，也可以将定量供油模块的定量泵的流量选得大些，这时整个泵组的流量调节范围由两个或多个隔开的、不重叠的子范围组成，只要相邻子范围的流量跨度（即相邻流量较大子范围的最小流量与流量较小子范围最大流量的比值）小于一定的值，则与油膜测厚系统形成闭环；也可以实现对油膜厚度的较精确的自动调整，使工作台油膜厚度在合适的范围内。

从安全角度考虑，本发明所述的工作台恒流静压导轨油膜厚度的调节，应在工作台不转的情况下进行。工作台静压系统泵组的总流量的调整为一迭代过程，其初始值根据油温和静压导轨的载荷大小确定；通过液压油的油温－粘度关系曲线（或表），得到液压油的粘度值；工作台恒流静压导轨的油腔压力反映了静压导轨的载荷情况，该值可通过油腔压力传感器的输出得到；这两个数值得到后，再采用公式（1）计算，可得到工作台静压系统总流量的迭代初值，计算中，工作台恒流静压导轨油膜厚度可取允许范围的任意值，如允许范围的中间值或最小值。

本发明所说的自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统，在其泵组总流量变化范围不连续、连续两种情况下的油膜厚度自动调整流程和方法如下：

1、泵组总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法：

1）开始，只启动变量供油模块，并设为最小流量q_v1；

2）待静压油腔压力稳定后，通过压力传感器得到静压油腔静压值p；

3）通过温度传感器，测得静压油腔中静压油温度，根据粘——温关系得到静压油的粘度μ；

4）取δ=δ₁，系统按的关系自动计算，得到恒流静压导轨工作台静压总流量q；

5）根据总流量q，得到泵组总流量状态值S，并按该总流量状态值启动相应的定量泵或变量供油模块；若需启动变量供油模块，则根据总流量q和定量供油模块流量的差值得到其流量q_v，并将变量供油模块的流量调整到该q_v值；

6）判断油膜厚度是否在范围[δ₁ δ₂]内?

a）若判断“是”，则结束调整；

b）若判断“否”，则通过油膜测厚油路重新测得静压油膜厚度δ，结合静压总流量q和压力传感器测得的静压油腔静压值p，系统按的关系自动计算，得到液压油粘度μ的较精确值；返回到步骤4）继续后面的过程，直至油膜厚度落在范围[δ₁ δ₂]内。

2、泵组总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法：

1）开始，只启动变量供油模块，并设为最小流量q_v1；

2）待静压油腔压力稳定后，通过压力传感器得到静压油腔静压值p；

3）通过温度传感器，测得静压油腔中静压油温度，根据粘——温关系得到静压油的粘度μ；

4）取δ=δ₁，系统按

的关系自动计算，得到恒流静压导轨工作台静压总流量q；

5）根据总流量q，得到泵组总流量状态值S0，并按该总流量状态值启动相应的定量泵或变量供油模块；若需启动变量供油模块，则根据总流量q和定量供油模块流量的差值得到其流量q_v，并将变量供油模块的流量调整到该q_v值；

6）判断油膜厚度是否在范围[δ₁ δ₂]内?

a）若判断“是”，则结束调整。

b）若判断“否”，则通过油膜测厚油路重新测得静压油膜厚度δ，结合静压总流量q和压力传感器测得的静压油腔静压值p，系统按

的关系自动计算，得到液压油粘度μ的较精确值；返回到步骤4）继续后面的过程，直至油膜厚度落在范围[δ₁ δ₂]内。

本发明所说的自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统，具有对油液污染度要求不高，维护成本低等优点。

附图说明

图1：承载、温度变化范围大的多油腔恒流静压导轨供油系统液压原理图；

图2：泵组总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程图；

图3：泵组总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所说的自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统和工作原理，做进一步的说明。

图1中给出的是本发明所说的多油腔重型立车工作台恒流静压导轨供油系统液压原理图。图中所示的静压油腔有10个，即n_e=10，其标号分别为1、2、……、10，故本发明的其它图面标记从第11号开始进行标记。

它包括一个变量供油模块11，一个或一个以上的定量供油模块12₁、……、12_n，多点齿轮分油器13，溢流阀14，压力传感器15，温度传感器16等组成。变量供油模块11由变频电机17、定量泵18v、单向阀19a和滤油器20a组成；定量供油模块12₁、……、12_n由电动机21(转速不可调)、定量泵18f、单向阀19b和滤油器20b组成。变量供油模块11与定量供油模块12₁、……、12_n并行设置。在变量供油模块11、定量供油模块12₁、……、12_n与多点齿轮分油器13之间，设置有压力表22a，精滤油器23和溢流阀14，溢流阀14起安全作用，正常工作情况下，溢流阀没有油流出。多点齿轮分油器13与工作台恒流静压导轨之间设置有压力表22b和压力传感器15，静压油腔中设置有温度传感器16，压力传感器15用于检测恒流静压导轨中静压油腔的压力值，温度传感器16用于检测静压油腔压力油的温度。

本发明所说的自适应、流量变化范围大的多油腔恒流静压系统的工作原理（以重型立车工作台恒流静压导轨供油系统为例），当定量供油模块不工作，且变量供油模块的变频电机转速处于设定转速范围的最低值时，可提供工作台静压系统需要的最小流量；该转速范围的设定与相配的定量泵的允许转速范围有关，转速范围越大越好。定量供油模块的流量固定，其值等于或大于变量供油模块的流量变化值（即最大流量和最小流量的差值），用于拓展变量供油模块的流量变化范围。

当定量供油模块的流量等于变量供油模块的流量变化值时，实现对整个泵组从最小流量到最大流量范围的全覆盖，与恒流静压导轨油膜测厚系统配合形成闭环，可实现对工作台恒流静压导轨油膜厚度的精确调节。

若需要更大的流量调节范围，也可以将定量供油模块的定量泵选得大些，这时的流量调节范围由两个或多个隔开的、不重叠的子范围组成（即设置两个或两个以上的定量供油模块，以构成不重叠的子范围），只要相邻子范围的流量跨度（即相邻流量较大子范围的最小流量与流量较小子范围最大流量的比值）小于一定的值，则与恒流静压导轨油膜测厚系统形成闭环；也可以实现对油膜厚度的较精确的自动调整，使工作台恒流静压导轨油膜厚度在合适的范围内。

变量供油模块11和定量供油模块12₁、……、12_n组成的泵组，提供的流量变化范围越大，工件重量的允许变化范围也越大，即工作台承载能力越大。也就是说，在工作台空载到最大承载范围内，总能通过调整静压系统泵组的流量，使工作台浮升量（即油膜厚度）处于合适的值，确保静压油膜的刚度和工作台回转精度。

这里以3个泵组成泵组的情况为例进行说明，泵组由一个变量供油模块11和两个定量供油模块12₁、12₂组成。为规范描述，称变量供油模块的泵为定量泵18v，两个定量供油模块的定量泵18f按流量从小到大称为定量泵18f₁和18f₂。

若定量泵18f₁和18f₂的流量q_f1、q_f2选择得合适，与定量泵18v的流量调节范围[q_v1,q_v2]配合，即能实现对整个泵组从最小流量到最大流量范围的全覆盖。此时满足如下关系式：

q_v2=q_v1+q_fl

q_f1+q_v2=q_v1+q_f2

q_f2+q_v2=q_f1+q_f2+q_v1

此时，泵组的流量变化范围分为首尾相接的3段：[q_v1,q_v2]、[q_f1+q_v1,q_f1+q_v2]、[q_f2+q_v1,q_f2+q_v2]、[q_f1+q_f2+q_v1,q_f1+q_f2+q_v2]。这种方案，静压供油系统的流量调节倍数为：

上述泵组总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整的原理。图3为其流程图，图中S0为状态值，有以下4种情况。

S0=1：仅开定量泵18v；

S0=2：开定量泵18f₁和定量泵18v；

S0=3：开定量泵18f₂和定量泵18v；

S0=4：开定量泵18f₁、定量泵18f₂和定量泵18v。

状态值S0越大，流量越大。

工程上，工作台浮升量，即油膜厚度，在一个允许的范围内，都是可以的。若允许的油膜厚度范围为[δ₁,δ₂]，由公式(1)知，允许的流量的变化倍数的最大值

也就是说，允许泵组总的流量变化范围不连续，可以由若干个区间或点组成。只要任意相邻区间/点的流量变化比满足

$i_{\mathrm{qa}}=\frac{q_{u,\min }}{q_{1,\max }}<i_{\mathrm{qv}}---\left(3\right)$

式中，q_u，min为相邻的较大流量区间/点的最小流量，q_1,max为相邻的较小流量区间/点的最大流量。

就能保证将油膜厚度调整到[δ₁,δ₂]范围内。

按照这种思路，泵组的流量变化范围从小到大，由如下几段组成：

[q_v1,q_v2]、q_fl、[q_f1+q_v1,q_f1+q_v2]、q_f2、q_f1+q_f2、[q_f1+q_f2+q_v1,q_f1+q_f2+q_v2]。

此分段必须满足：

$\frac{q_{f1}}{q_{v2}}<i_{\mathrm{qv}}$

$\frac{q_{f1}+q_{v1}}{q_{f1}}<i_{\mathrm{qv}}$

$\frac{q_{f2}}{q_{f1}+q_{v2}}<i_{\mathrm{qv}}$

$\frac{q_{f1}+q_{f2}}{q_{f2}}<i_{\mathrm{qv}}$

$\frac{q_{f1}+q_{f2}+q_{v1}}{q_{f1}+q_{f2}}<i_{\mathrm{qv}}$

由于q_f2>q_f1+q_v2，因此此思路的流量调节倍数要明显大于流量连续的模式。

上述为泵组总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整原理，图2为其流程图，图中S为状态值，有以下6种情况。

S=1：仅开定量泵18v；

S=2：仅开定量泵18f₁；

S=3：开定量泵18f₁和定量泵18v；

S=4：仅开定量泵18f₂；

S=5：开定量泵18f₁和定量泵18f₂；

S=6：开定量泵18f₁、定量泵18f₂和定量泵18v。

状态值S越大，流量越大。

根据静压油膜厚度的设定值或允许范围[δ₁,δ₂]确定静压油腔的总流量q，可按公式(1)计算。但在计算之前，必须确定液压油的粘度值μ。μ的初始值可根据液压油温度值，通过查液压油的粘度——温度曲线（表）得到。当工作台正常浮起后，可采用由公式(1)得到的下述公式计算得到μ的较精确值。

$\mathrm{\&mu;}=\frac{a_p{\mathrm{\&delta;}}^{3}p}{12\&times;q}\&times;n_e---\left(4\right)$

式中，δ值可通过油膜测厚得到，p值通过压力传感器得到。

Claims (9)

1.一种承载、温度变化范围大的恒流静压导轨供油系统，其特征在于，由一个变量供油模块、一个或一个以上的定量供油模块、多点齿轮分油器、溢流阀、压力传感器、温度传感器组成；变量供油模块由变频电机、定量泵、单向阀和滤油器组成；定量供油模块由电动机、定量泵、单向阀和滤油器组成；变量供油模块与定量供油模块并行设置；在变量供油模块、定量供油模块与多点齿轮分油器之间设置有溢流阀；在多点齿轮分油器与工作台恒流静压导轨之间设置有压力传感器；在恒流静压导轨的静压油腔中设置有温度传感器。

2.按照权利要求1所说的承载、温度变化范围大的恒流静压导轨供油系统，在泵组总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法为：

1）开始时，只启动变量供油模块，并设为最小流量q_v1；

2）待静压油腔压力稳定后，得到静压油腔静压值p；

3）由测得静压油腔中静压油温度，根据粘——温关系得到静压油的粘度μ；

4）取δ=δ₁，系统按

的关系自动计算，得到恒流静压导轨工作台静压总流量q；

5）根据总流量q，得到泵组总流量状态值S，并按该总流量状态值启动相应的定量泵；若包含变量供油模块，根据总流量q和定量供油模块流量的差值得到其流量q_v，并将变量供油模块的流量调整到该q_v值；

6）判断油膜厚度是否在范围[δ₁ δ₂]内?

a）若判断“是”，则结束调整；

b）若判断“否”，则通过油膜测厚油路重新测得静压油膜厚度δ，结合静压总流量q和压力传感器测得的静压油腔静压值p，系统按

的关系自动计算，得到液压油粘度μ的较精确值；返回到步骤4）；

7）重复步骤5），6），直至油膜厚度落在范围[δ₁ δ₂]内。

3.按照权利要求2所说的总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，当仅有变量供油模块工作，变量供油模块的变频电机转速处于设定转速范围的最低值时，可提供工作台静压系统需要的最小流量；该转速范围的设定与相配的定量泵的允许转速范围有关，转速范围越大越好。

4.按照权利要求2所说的总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，当变量供油模块和定量供油模块组成的泵组同时工作时，提供的流量变化范围越大工件重量的允许变化范围也越大，即工作台承载能力越大。

5.按照权利要求2所说的总流量变化范围不连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，以3个泵组成泵组的情况为例，状态值S有以下6种情况：

S=1：仅开定量泵18v；

S=2：仅开定量泵18f₁；

S=3：开定量泵18f₁和定量泵18v；

S=4：仅开定量泵18f₂；

S=5：开定量泵18f₁和定量泵18f₂；

S=6：开定量泵18f₁、定量泵18f₂和定量泵18v；

状态值S越大，流量越大。

6.按照权利要求1所说的承载、温度变化范围大的恒流静压导轨供油系统，在泵组总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法为：

1）开始时，只启动变量供油模块，并设为最小流量q_v1；

2）待静压油腔压力稳定后，得到静压油腔静压值p；

3）由测得静压油腔中静压油温度，根据粘——温关系得到静压油的粘度μ；

4）取δ=δ₁，系统按

的关系自动计算，得到恒流静压导轨工作台静压总流量q；

5）根据总流量q，得到泵组总流量状态值S0，并按该总流量状态值启动相应的定量泵；若包含变量供油模块，根据总流量q和定量供油模块流量的差值得到其流量q_v，并将变量供油模块的流量调整到该q_v值；

6）判断油膜厚度是否在范围[δ₁ δ₂]内?

a）若判断“是”则结束调整；

b）若判断“否”则返回到步骤5），通过油膜测厚油路重新测得静压油膜厚度δ，结合静压总流量q和压力传感器测得的静压油腔静压值p，系统按

的关系自动计算，得到液压油粘度μ的较精确值；

7）重复步骤6），7），直至油膜厚度落在范围[δ₁ δ₂]内。

7.按照权利要求6所说的总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，当仅有变量供油模块工作，变量供油模块的变频电机转速处于设定转速范围的最低值时，可提供工作台静压系统需要的最小流量；该转速范围的设定与相配的定量泵的允许转速范围有关，转速范围越大越好。

8.按照权利要求6所说的总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，当变量供油模块和定量供油模块组成的泵组同时工作时，提供的流量变化范围越大工件重量的允许变化范围也越大，即工作台承载能力越大。

9.按照权利要求6所说的总流量变化范围连续情况下的油膜厚度自动调整流程及方法，其特征在于，以3个泵组成泵组的情况为例，状态值S0有以下4种情况：

S0=1：仅开定量泵18v；

S0=2：开定量泵18f₁和定量泵18v；

S0=3：开定量泵18f₂和定量泵18v；

S0=4：开定量泵18f₁、定量泵18f₂和定量泵18v；

状态值S0越大，流量越大。

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