大型轉軸加工專機主軸靜壓軸承故障分析及處理方案

王立春，戴彤焱

哈爾濱電機廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150040

1 序言

Rapid 6K大型轉軸加工專機于1985年從德國瓦德里希科堡公司引進，經過多年使用，機床設備已經老化，特別是主軸精度嚴重超標，靜壓主軸在使用過程中經常與軸瓦研傷，維修周期長，嚴重影響生產使用。經調研分析，決定在機床原有結構的基礎上對主軸徑向靜壓軸瓦進行重新設計改造。

2 靜壓軸承改造形式

Rapid 6K大型轉軸加工專機主軸軸承原為恒壓靜壓軸瓦結構形式，通過對故障現象和主軸精度檢測綜合分析，機床經過長時間使用后，主軸與靜壓軸瓦已發生磨損，負載增大時，恒壓靜壓不能保證軸瓦油膜厚度，從而造成軸瓦經常研傷的故障。初步計劃將其改造為滾動軸承承載的結構形式，但經過實際測繪，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構 形式。

靜壓軸承原理如圖1所示，根據液壓系統供油形式不同，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點[3，4]。

圖1 靜壓軸承原理

（1）恒流靜壓系統壓力儲備大且過載能力強 機床主軸的工作負荷不均衡，恒壓靜壓軸承油腔的壓力就不一致，若某油腔達到或接近液壓泵壓力時，就無法建立靜壓油膜。但只要供油系統具有足夠的流量，恒流靜壓軸承就能夠保證旋轉摩擦副之間脫離接觸，形成純液體油膜摩擦。

（2）油膜剛度好 恒流靜壓系統所形成的油膜剛度比有節流裝置的恒壓系統要好。

（3）功率損耗小 恒壓靜壓系統的液壓油通過節流器會產生壓力降，消耗功率，溢流閥調整壓力溢流也會消耗功率，產生熱量，油溫升高，從而導致機床熱變形，降低機床運動精度。

（4）油液污染抵抗力強 節流器容易被潤滑油液雜質堵塞，節流器一旦被堵塞，恒壓系統就會失效。若采用恒流靜壓軸承就不會出現此類問題。

綜上所述，權衡利弊，本次機床主軸改造采用恒流靜壓軸承結構形式。

5.1 栽植第1年 苗木栽植后，根據嫁接高度，在嫁接部位上15～20 cm處定干，基干高30 cm，保持全園基干高度一致。萌芽后在基干上部東西側錯位各選留2個健壯枝作為蔓性主枝培養，其他枝條抹除，特別是砧木上的芽要及時抹去。生長季待兩側4個主枝長到70 cm左右時，及時把4個主枝呈“V”字形傾斜，分別綁縛在拱棚架兩側的鐵絲上，沿拱棚架面向上延伸，重摘心促發側枝。生長季修剪主要采取扭枝、摘心和拉枝綁縛等措施，充分利用主枝背上枝，疏除過密枝，及時扭枝綁縛，增加枝量，促進樹體生長。

3 靜壓軸承及靜壓系統參數

經參閱機床資料及實際測量，Rapid 6K轉軸加工專機主軸原徑向軸承尺寸如圖2所示，徑向軸瓦及其供油系統已知條件如下：銑軸尺寸為；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；節流方式為毛細管節流；毛細管直徑為1mm；靜壓腔數量為4個；靜壓腔供油壓力（進口壓力）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；液壓泵電動機型號為Y132S-4，功率為5.5kW，轉速為1440r/min；液壓油牌號為DIN51502 HLP10，油液動力黏度為9.2×10-8kgf·s/cm2。

圖2 原徑向軸承尺寸

4 軸承改造設計計算

根據已知條件，靜壓軸承流量系數為

式中，B是流量系數；L是軸承長度（mm）；a是軸向封油面長度（mm）；b是周向封油面寬度（mm）。

根據平行間隙層流流動的流量公式，每個油腔的設計流量為

式中，Q0是軸承每個油腔的設計流量（cm3/s）；h0是油膜厚度（cm）；Pr0是軸承每個油腔的設計壓力（kgf/cm2）；ηt是油液動力黏度（kgf·s/cm2）。

已知供油泵壓力為62kgf/cm2，根據經驗取Pr0≈30kgf/cm2，液壓油動力黏度ηt=9.2×10-8kgf·s/cm2，經計算=0.482，分別取h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，計算軸承每個油腔的流量值，見 表1。

表1 油膜厚度與油腔流量對應值

根據表1中數據計算，當油膜厚度為0.0025～0.0030cm時，液壓系統供油總流量為

式中，Q總是液壓系統供油總流量（L/min）；KQ是供油流量系數（根據系數表取1.8）。

因徑向靜壓軸承共有4個靜壓油腔，所以經計算系統最大供油總流量為1.82L/min。

現機床主軸的1個徑向軸承與2個端面軸承油泵的供油總流量為42.2L/min，設每個軸承供油流量為14L/min，流量是靜壓軸承所需流量的7.7倍。由于流量過大，所以靜壓油腔壓力會很高。為了降低油壓，必須用溢流閥將流量調低，這樣就會導致大量油液從溢流閥溢出，造成油溫升高，進而導致靜壓軸承與主軸研傷損壞[5]。

按照每個軸承供油流量為14L/min（即每個靜壓油腔流量為3.5L/min）的情況，計算供油腔壓力隨油膜厚度變化的情況。油腔壓力為

分別取h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，計算軸承每個靜壓油腔的壓力值，見表2。

表2 油膜厚度與油腔壓力對應值

對供油系統設計壓力進行綜合考慮，并考慮到機床原供油系統溢流閥的設定壓力為 75bar（1bar=0.1MPa，下同），并在45bar時系統報警，根據數值分析的實際情況，初步決定對徑向靜壓軸承采取如下改進措施[6]。

1）徑向靜壓軸承油膜厚度加大至0.0040～0.0045cm。

2）因靜壓軸承系統采用恒流供壓系統，所以供油流量取Q總=20L/min為宜。

3）參考現場數據，采用大的節流比方式。

5 驗算及處理意見

取系統供油油量為Q總=20L/min，則徑向軸承流量近似為6.67L/min。根據式（2），改進后的軸承單油腔流量與靜壓油膜厚度的對應值見表3。

表3 改進后的油膜厚度與油腔流量對應值

根據表3中數據計算，當油膜厚度為0.0040～ 0.0045cm時，液壓系統供油流量為Q總=0.215×4× 2.5=2.15（L/min）＜6.67L/min（取KQ=2.5），所以靜壓系統供油流量滿足設計要求。

通過油膜剛度計算校驗，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，符合機床的生產需要。

根據以上分析驗算，其結果和Rapid 6K轉軸加工專機現場調試出現的情況對照基本吻合，所以對徑向靜壓軸承處理意見如下[7，8]。

1）重新設計制造徑向靜壓軸承，軸承內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軸向回油槽結構，徑向節流邊的大小將影響內流系數和節流比的提高，所以將周向封油面寬度變小，設計為b=20mm。

4）軸承內孔對φ350mm外圓同軸度為0.005mm，以保證其回轉精度。

5）軸承兩端面對內孔的垂直度為0.005mm，需配研檢查。

6 結束語

本文根據Rapid 6K轉軸加工專機主軸靜壓軸承故障的現象，確定將其改造為恒流靜壓軸承結構形式，并對其進行重新設計計算，確定了其油膜厚度，供油系統壓力、流量等關鍵參數，給出了具體的處理意見。根據處理意見進行靜壓軸瓦改造后，機床主軸通過了幾何精度檢測、高轉速測試和切削試驗，徹底解決了主軸研傷故障，機床運行狀態良好，改造獲得了圓滿成功。