Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)在使用過(guò)程中主軸經(jīng)常與靜壓軸承研傷，根據(jù)故障現(xiàn)象綜合分析，將原恒壓靜壓徑向軸瓦改造為恒流靜壓結(jié)構(gòu)，在原有結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)計(jì)算，確定改造形式和靜壓參數(shù)，制定合理的改造方案，對(duì)機(jī)床靜壓主軸系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
1 序言
Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)于1985年從德國(guó)瓦德里希科堡公司引進(jìn)，經(jīng)過(guò)多年使用，機(jī)床設(shè)備已經(jīng)老化，特別是主軸精度嚴(yán)重超標(biāo)，靜壓主軸在使用過(guò)程中經(jīng)常與軸瓦研傷，維修周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)使用。經(jīng)調(diào)研分析，決定在機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)主軸徑向靜壓軸瓦進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造。
2 靜壓軸承改造形式
由于機(jī)床主軸性能直接影響到零件加工質(zhì)量和加工精度，因此主軸靜壓軸瓦性能的優(yōu)劣對(duì)機(jī)床整體設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。
Rapid 6K大型轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)主軸軸承原為恒壓靜壓軸瓦結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)故障現(xiàn)象和主軸精度檢測(cè)綜合分析，機(jī)床經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用后，主軸與靜壓軸瓦已發(fā)生磨損，負(fù)載增大時(shí)，恒壓靜壓不能保證軸瓦油膜厚度，從而造成軸瓦經(jīng)常研傷的故障。初步計(jì)劃將其改造為滾動(dòng)軸承承載的結(jié)構(gòu)形式，但經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)繪，所需軸承直徑大于軸瓦直徑，由于主軸箱空間受限，所以只能采用靜壓軸承支撐結(jié)構(gòu)形式。
靜壓軸承原理如圖1所示，根據(jù)液壓系統(tǒng)供油形式不同，可將其分為恒壓靜壓軸承和恒流靜壓軸承兩種[2]。兩種供油方式各有利弊，綜合比較，恒流靜壓軸承具有以下優(yōu)點(diǎn)[3，4]。
（1）恒流靜壓系統(tǒng)壓力儲(chǔ)備大且過(guò)載能力強(qiáng) 機(jī)床主軸的工作負(fù)荷不均衡，恒壓靜壓軸承油腔的壓力就不一致，若某油腔達(dá)到或接近液壓泵壓力時(shí)，就無(wú)法建立靜壓油膜。但只要供油系統(tǒng)具有足夠的流量，恒流靜壓軸承就能夠保證旋轉(zhuǎn)摩擦副之間脫離接觸，形成純液體油膜摩擦。
（2）油膜剛度好 恒流靜壓系統(tǒng)所形成的油膜剛度比有節(jié)流裝置的恒壓系統(tǒng)要好。
（3）功率損耗小 恒壓靜壓系統(tǒng)的液壓油通過(guò)節(jié)流器會(huì)產(chǎn)生壓力降，消耗功率，溢流閥調(diào)整壓力溢流也會(huì)消耗功率，產(chǎn)生熱量，油溫升高，從而導(dǎo)致機(jī)床熱變形，降低機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度。
（4）油液污染抵抗力強(qiáng) 節(jié)流器容易被潤(rùn)滑油液雜質(zhì)堵塞，節(jié)流器一旦被堵塞，恒壓系統(tǒng)就會(huì)失效。若采用恒流靜壓軸承就不會(huì)出現(xiàn)此類問(wèn)題。
綜上所述，權(quán)衡利弊，本次機(jī)床主軸改造采用恒流靜壓軸承結(jié)構(gòu)形式。
圖1 靜壓軸承原理
3 靜壓軸承及靜壓系統(tǒng)參數(shù)
經(jīng)參閱機(jī)床資料及實(shí)際測(cè)量，Rapid 6K轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)主軸原徑向軸承尺寸如圖2所示，徑向軸瓦及其供油系統(tǒng)已知條件如下：銑軸尺寸為圖片；靜壓軸瓦與銑軸間隙為0.05～0.06mm；供油方式為閉式恒壓供油；節(jié)流方式為毛細(xì)管節(jié)流；毛細(xì)管直徑為1mm；靜壓腔數(shù)量為4個(gè)；靜壓腔供油壓力（進(jìn)口壓力）為40kgf/cm2（1kgf=9.8N，下同）；靜壓腔油液壓力（出口壓力）為8kgf/cm2；液壓泵型號(hào)為QT3132-20-10F-A；液壓泵壓力為62kgf/cm2；液壓泵流量為42.2L/min；液壓泵電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y132S-4，功率為5.5kW，轉(zhuǎn)速為1440r/min；液壓油牌號(hào)為DI N51502 HLP10，油液動(dòng)力黏度為9.2×10-8kgf·s/cm2。
圖2 原徑向軸承尺寸
4 軸承改造設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)已知條件，靜壓軸承流量系數(shù)為
B=（L－a）/（6b） （1）
式中，B 是流量系數(shù)；L是軸承長(zhǎng)度（mm）；a是軸向封油面長(zhǎng)度（mm）；b是周向封油面寬度（mm）。
根據(jù)平行間隙層流流動(dòng)的流量公式，每個(gè)油腔的設(shè)計(jì)流量為
Q0= Bh03Pr0/ηt （2）
式中， Q0是軸承每個(gè)油腔的設(shè)計(jì)流量（cm3/s）；h0是油膜厚度（cm）；Pr0是軸承每個(gè)油腔的設(shè)計(jì)壓力（kgf/cm2）；ηt是油液動(dòng)力黏度（kgf·s/cm2）。
已知供油泵壓力為62kgf/cm2，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Pr0≈30kgf/cm2，液壓油動(dòng)力黏度ηt=9.2×10-8kgf·s/cm2，經(jīng)計(jì)算B=0.482，分別取h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，計(jì)算軸承每個(gè)油腔的流量值，見(jiàn)表1。
表1 油膜厚度與油腔流量對(duì)應(yīng)值
根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)油膜厚度為0.0025～0.0030cm時(shí)，液壓系統(tǒng)供油總流量為
Q總=KQΣQ0 （3）
式中，Q總是液壓系統(tǒng)供油總流量（L/min）；KQ是供油流量系數(shù)（根據(jù)系數(shù)表取1.8）。
因徑向靜壓軸承共有4個(gè)靜壓油腔，所以經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)最大供油總流量為1.82L/min。
現(xiàn)機(jī)床主軸的1個(gè)徑向軸承與2個(gè)端面軸承油泵的供油總流量為42.2L/min，設(shè)每個(gè)軸承供油流量為14L/min，流量是靜壓軸承所需流量的7.7倍。由于流量過(guò)大，所以靜壓油腔壓力會(huì)很高。為了降低油壓，必須用溢流閥將流量調(diào)低，這樣就會(huì)導(dǎo)致大量油液從溢流閥溢出，造成油溫升高，進(jìn)而導(dǎo)致靜壓軸承與主軸研傷損壞[5]。
按照每個(gè)軸承供油流量為14L/min（即每個(gè)靜壓油腔流量為3.5L/min）的情況，計(jì)算供油腔壓力隨油膜厚度變化的情況。油腔壓力為
Pr0= Q0ηt/（Bh03） （4）
分別取h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，計(jì)算軸承每個(gè)靜壓油腔的壓力值，見(jiàn)表2。
表2 油膜厚度與油腔壓力對(duì)應(yīng)值
對(duì)供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行綜合考慮， 并考慮到機(jī)床原供油系統(tǒng)溢流閥的設(shè)定壓力為
75bar（1bar=0.1MPa，下同），并在45bar時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，根據(jù)數(shù)值分析的實(shí)際情況，初步?jīng)Q定對(duì)徑向靜壓軸承采取如下改進(jìn)措施[6]。
1）徑向靜壓軸承油膜厚度加大至0.0040～0.0045cm。
2）因靜壓軸承系統(tǒng)采用恒流供壓系統(tǒng)，所以供油流量取Q總=20L/min為宜。
3）參考現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用大的節(jié)流比方式。
5 驗(yàn)算及處理意見(jiàn)
取系統(tǒng)供油油量為Q總=20L/min，則徑向軸承流量近似為6.67L/min。根據(jù)式（2），改進(jìn)后的軸承單油腔流量與靜壓油膜厚度的對(duì)應(yīng)值見(jiàn)表3。
表3 改進(jìn)后的油膜厚度與油腔流量對(duì)應(yīng)值
根據(jù)表3中數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)油膜厚度為0.0040～0.0045cm時(shí)，液壓系統(tǒng)供油流量為Q總= 0.215× 4 ×2.5=2.15（L/min）＜6.67L/min（取KQ=2.5），所以靜壓系統(tǒng)供油流量滿足設(shè)計(jì)要求。
通過(guò)油膜剛度計(jì)算校驗(yàn)，在主軸靜壓位移較大的條件下，靜壓油膜仍有足夠剛度和承載能力，符合機(jī)床的生產(chǎn)需要。
根據(jù)以上分析驗(yàn)算，其結(jié)果和Rapid 6K轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試出現(xiàn)的情況對(duì)照基本吻合，所以對(duì)徑向靜壓軸承處理意見(jiàn)如下[7，8]。
1）重新設(shè)計(jì)制造徑向靜壓軸承，軸承內(nèi)孔半徑方向的油膜間隙取值為0.0040～0.0045cm。
2）在油膜間隙加大后，考慮到節(jié)流比的加大，靜壓軸承供油流量取值為20～25L/min。
3）由于本靜壓軸承為無(wú)軸向回油槽結(jié)構(gòu)，徑向節(jié)流邊的大小將影響內(nèi)流系數(shù)和節(jié)流比的提高，所以將周向封油面寬度變小，設(shè)計(jì)為b=20mm。
4）軸承內(nèi)孔對(duì)Φ350mm外圓同軸度為0.005mm，以保證其回轉(zhuǎn)精度。
5）軸承兩端面對(duì)內(nèi)孔的垂直度為0.005mm，需配研檢查。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)Rapid 6K轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)主軸靜壓軸承故障的現(xiàn)象，確定將其改造為恒流靜壓軸承結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了其油膜厚度，供油系統(tǒng)壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)，給出了具體的處理意見(jiàn)。根據(jù)處理意見(jiàn)進(jìn)行靜壓軸瓦改造后，機(jī)床主軸通過(guò)了幾何精度檢測(cè)、高轉(zhuǎn)速測(cè)試和切削試驗(yàn)，徹底解決了主軸研傷故障，機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)良好，改造獲得了圓滿成功。
參考文獻(xiàn)：
[1] 郁鼎文. 國(guó)外機(jī)床的翻新工作簡(jiǎn)介[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，1996（11）：44-46.
[2] 陳燕生. 液體靜壓支承原理和設(shè)計(jì)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.
[3] 彭熙偉. 流體傳動(dòng)與控制基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.
[4] 邱勇. 工作臺(tái)導(dǎo)軌靜壓改造[J]. 重型機(jī)械科技，2005（1）：23-26.
[5] 朱德志. 恒流靜壓技術(shù)在刨改銑中的應(yīng)用[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2005（7）：106-109.
[6] 吳博. 液壓系統(tǒng)使用與維修手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.
[7] 張展. 機(jī)械設(shè)計(jì)通用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.
[8] 李壯云. 液壓元件與系統(tǒng)[M]. 3版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.
本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第8期第82~85頁(yè)，作者：哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 王立春，戴彤焱，原標(biāo)題：《大型轉(zhuǎn)軸加工專機(jī)主軸靜壓軸承故障分析及處理方案》。
（轉(zhuǎn)載）
