關于絲杠溫升問題的分析和解決方案

摘 ?要：本文針對五坐標數控龍門銑床Y向傳動絲杠在空載試運行過程中出現的溫升過大導致絲杠支撐軸承損壞的問題進行了分析，主要從軸承預緊，潤滑不良，骨架油封摩擦三個方面原因深入的計算分析和試驗，最終解決了此問題，并經過了應用驗證。

關鍵詞：溫升;絲杠;預緊

1.問題描述

公司為某航空工廠自主研發的五坐標數控龍門銑床在進行空載試運行過程中Y向光柵尺報警，機床不能工作，絲杠和兩端支撐座發熱嚴重，對絲杠不同的位置（如圖1）進行溫度測量，經測量各點溫度如表1：

空載運行具體試驗過程為：伺服電機通過絲杠驅動機床滑板及擺角頭沿Y向全行程5000mm范圍內以2000mm/min（絲杠轉速200r/min）和5000mm/min（絲杠轉速500r/min）的速度往復進行空載運行，在運行連續運行3個多小時的時間后，出現上述故障。

將絲杠軸承座拆開發現內側推力軸承保持架損壞（如圖2），滾道磨損嚴重（如圖3）。

2.絲杠支撐結構介紹

機床Y向絲杠支撐形式為兩端固定式（如圖3）， 這種支撐系統保證絲杠不進行軸向移動，支撐裝有徑向和軸向軸承。

具體支撐結構如圖5：其中1后端鎖緊螺母，2外隔環，3內隔環，4滾針軸承，5推力軸承，6墊，7絲杠螺母副，8前鎖緊螺母，9皮帶輪，10輔助支撐軸承，11前絲杠座，12后絲杠座，絲杠支撐跨距為3320mm。

3.原因分析及改進措施

通過對絲杠及支撐軸承分析和計算，初步確定造成此問題原因歸納為三點：

（1）軸承預載過大

開始設計考慮，軸承內隔環2的寬度小于推力軸承的寬度0.02-0.05mm，軸承預緊的時候所有預緊力都會加在推力軸承上，若將軸承與隔環壓平，經計算此時預緊力為48085-12022N，此種型號推力軸承推薦預載載荷為11300N，絲杠工作時最大推力才50000N，如此大的預緊力加載在推力軸承上會造成軸承負載過大，導致溫度迅速上升。發熱導致絲杠溫升，絲杠熱伸長造成內側軸承承載過大，內側軸承承載力大會發熱，發熱導致溫升，溫升造成熱伸長，如此惡性循環，軸承就會損壞。

根據絲杠支撐長度為L=3320mm，溫度沒升高1℃，絲杠伸0.012mm/1000mm，整根絲杠伸長。

絲杠的軸向剛度

其中：

當絲杠溫升1℃時，絲杠伸長加載在內側推力軸承上的力

如果按10℃的溫升計算，絲杠伸長加載在內側推力軸承上的力

軸承81216-TV的軸向額定動載荷Ca=201000N，額定靜載荷C0a=630000N，溫升造成的軸承軸向載荷超過了軸承的額定動載荷，而且由于絲杠兩端支座有鍵塊和銷子固定，絲杠無法向兩端伸長，就會導致絲杠外拱，絲杠外拱會導致絲杠與推力軸承的接觸面與軸承的回轉中心不垂直，載荷不是均勻的有所有滾子承擔，而是由部分甚至幾個滾子承擔，軸承壽命大降低，很快就會損壞。

改進措施：

通過分析計算，內隔圈在載荷36392N下，軸向變形為0.0195mm，如圖7;軸承81216在軸向載荷11300N是變形0.0047mm，如圖8。

根據以上分析結果。軸承內隔環2的寬度應大于推力軸承的寬度0.01mm，這樣用330Nm的力矩鎖緊，提供的軸向力為47692N，就可以實現軸承的11300N的預緊力（查軸承樣本軸承81216的推薦預緊力為11300N），內圈承受47692-11300=36392N的力防止螺母松動，保證外側推力軸承不卸載。為了補償熱伸長絲杠需要預拉伸，INA建議預拉伸可按1度拉伸，考慮到實際情況和參考其他機床的預拉伸，預拉伸按2度來處理按現在的支撐跨距，拉伸應該在0.08左右，將調整墊6磨掉0.08，然后將絲杠拉伸0.08。

（2）軸承潤滑不良

軸承潤滑方式為油脂潤滑，所填充的潤滑脂為市場采購的普通工程機械用潤滑脂（如圖8），不適用精密機床的高速，重載工況。此外，填充的潤滑脂將軸承空間全部填滿，不利于軸承散熱。

改進措施：

潤滑脂采用機床傳動機構專用的高級2號特種潤滑脂（如圖9），潤滑脂填充軸承空間的1/3，保證軸承有足夠的散熱空間。同時要涂抹均勻保證每個滾子都能形成油膜。

（3）骨架油封摩擦生熱

兩端的骨架油封與絲杠軸摩擦產生大量熱量，尤其是所選骨架油封均為雙唇，摩擦面大。通過查閱資料和分析，增加雙唇骨架油封會給油封和軸的接觸面帶來最高可達40度的溫升，增加副唇油封和軸的接觸面比不帶副唇會產生最高可達20度的溫升。

為了驗證骨架油封對絲杠發熱的影響，骨架油封拆除前后對絲杠軸溫升進行了試驗對比。圖10為各測溫點位置示意圖。

試驗過程如下：

在拆除油封之前，Y坐標空運行（正向2000mm/min運行全行程，反向5000mm/min運行全行程， 正向5000mm/min運行全行程，反向2000mm/min運行全行程，依次循環），每隔半個小時記錄各測溫點溫度，試驗時長150分鐘。試驗完后，工人拆除油封，再按上述循環運行90分鐘。試驗結果如表2，表3。

從試驗結果可以看出，拆除油封后，絲杠軸溫度下降明顯，90分鐘時間就下降將近10度。所以骨架油封與軸摩擦時產生的熱量還是很大的。

改進措施：

將骨架油封由雙唇改為單唇，同時保證油封與軸接觸面潤滑良好。

4.整改效果

整改完成后對絲杠進行溫度和熱伸長測試，試驗過程如下

如圖11，將百分表固定在絲杠后面，通過量塊將表針置零，保證足夠壓量（大于0.8），然后將量塊撤出。Y坐標空運行（正向2000mm/min運行全行程，反向5000mm/min運行全行程， 正向5000mm/min運行全行程，反向2000mm/min運行全行程，依次循環），每隔半個小時記錄各測溫點溫度及絲杠伸長數值。試驗時長6小時

通過試驗，絲杠溫升和軸承溫升平穩，達到熱平衡后，溫度穩定，絲杠伸長穩定，電機電流較小，整改效果明顯。

參考文獻

[1]薛志嵩.高檔數控機床絲杠支承軸承熱特性分析及實驗裝置設計[D].南京理工大學， 2013.

[2]李頌華， 馮明昊.關于軸承預緊力對軸系性能影響的仿真分析[J].機電產品開發與創新， 2014（02）：105-107.

[3]劉顯軍， 洪軍， 劉志剛.不同載荷工況下機床主軸預緊力選取的數值分析方法[C]// 2011計算機輔助工程及其理論研討會.0.

[4]韓傳軍， 張杰.不同載荷工況下空心圓柱滾子軸承的接觸分析[J].機械設計與制造， 2012（11）：214-216.

[5]王建文， 安琦.圓柱滾子軸承發熱量及溫度場的研究[J].華東理工大學學報：自然科學版， 2006， 32（009）：1130-1133.

作者簡介：

韓慶元（1981.11），男，漢族，河北涿州人，北京航智晟機電設備有限公司，高級工程師，碩士，主要從事航空專用裝備、關鍵功能部件、生產線設計研究。

3022500589262