高速電主軸油氣潤滑問題的分析研究

□ 張 玥 □ 郭旭紅

1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇蘇州 215006

2.紐威數(shù)控裝備（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215153

1 研究背景

隨著航空航天、軌道交通、風(fēng)電、模具等行業(yè)的快速發(fā)展，高速精密切削加工設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛。高速電主軸作為核心部件之一，對(duì)高速精密設(shè)備的性能和使用壽命有很大影響。

相比于傳統(tǒng)機(jī)械主軸，采用電主軸結(jié)構(gòu)，并由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可以省去聯(lián)軸器、齒輪、皮帶等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有轉(zhuǎn)速快、精度高等特點(diǎn)［1-3］。

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)損耗發(fā)熱及主軸軸承摩擦發(fā)熱是導(dǎo)致高速電主軸熱變形的主要因素，目前針對(duì)電機(jī)損耗發(fā)熱，通常使用水冷機(jī)進(jìn)行冷卻。電主軸軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、允許溫升及類型有關(guān)，主要潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑，高速大功率電主軸當(dāng)前最有效的潤滑方式為油氣潤滑［4-5］。如圖1所示，油氣潤滑系統(tǒng)包括潤滑油泵、潤滑劑管道、空氣處理單元、壓縮空氣管道、混合閥、油氣管道、螺旋軟管及噴嘴等，混合閥具有計(jì)量功能。

高速電主軸在采用油氣潤滑時(shí)，分配器的潤滑油和壓縮空氣管道中的氣流混合，在壓縮空氣流動(dòng)的作用下，使?jié)櫥脱毓艿纼?nèi)壁不斷地螺旋狀流動(dòng)，并形成連續(xù)油膜，在經(jīng)過出油口噴嘴后產(chǎn)生連續(xù)的液滴形態(tài)油流量［6-7］，并在不接觸表面的情況下向滾動(dòng)軸承提供足夠的潤滑油。此外，持續(xù)的氣流沖擊向軸承表面提供輕微的超量壓力，避免軸承遭受外部污染。油氣潤滑系統(tǒng)不僅沒有油霧產(chǎn)生，而且有益于軸承表面保持清潔，可以降低養(yǎng)護(hù)成本。

▲圖1 油氣潤滑系統(tǒng)

筆者對(duì)高速電主軸在龍門加工中心上安裝調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的與油氣潤滑相關(guān)的問題進(jìn)行分析與研究。

2 故障現(xiàn)象

在恒溫環(huán)境中，電主軸安裝在龍門加工中心上。電主軸軸承采用精密角接觸陶瓷球軸承，按電主軸制造廠家要求設(shè)置軸承油氣潤滑的油量、空氣壓力、空氣過濾精度及節(jié)拍，見表1，然后進(jìn)行電主軸試運(yùn)轉(zhuǎn)［8-9］。潤滑油類型為添加極壓添加劑的68號(hào)潤滑油。

表1 油氣潤滑要求

這一電主軸的最高轉(zhuǎn)速為18 000 r/min，扭矩在連續(xù)工作制與工作時(shí)間占一個(gè)工作周期的40%時(shí)分別為87 N·m與130 N·m，按表2空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)要求進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，再將電主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定至18 000 r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)20 min。

表2 空運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)要求

隨后按設(shè)定程序進(jìn)行跑合試驗(yàn)，在跑合過程中主軸突然發(fā)出 “吱吱”聲，立即停機(jī)進(jìn)行檢查。

3 故障檢查

由于龍門加工中心仍處于安裝調(diào)試階段，且在安裝過程中對(duì)油管、冷卻液等入口均進(jìn)行了防護(hù)，因此排除異常聲為雜質(zhì)引起的摩擦聲［10］。

發(fā)出“吱吱”異常聲，首先判斷是否為電主軸松刀油缸活塞端面與電主軸拉刀桿端面間摩擦所致。檢查液壓系統(tǒng)各回路壓力，均與設(shè)計(jì)要求一致。在電主軸拉刀時(shí)，主軸拉刀油路始終保持2 MPa壓力，以使活塞復(fù)位。圖2與圖3分別為電主軸制造廠家人員拆下油缸后電主軸尾部及松刀油缸端部，經(jīng)檢查均未見摩擦痕跡，排除此原因。

▲圖2 電主軸尾部

▲圖3 松刀油缸

再次開機(jī)，經(jīng)反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)電主軸在轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min時(shí)出現(xiàn)“吱吱”聲，且在轉(zhuǎn)速4 000 r/min左右時(shí)最為頻繁，而在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無異常聲。經(jīng)判斷，很有可能是主軸軸承滾珠發(fā)出了異常聲。

檢查油氣潤滑系統(tǒng)各軸承近入口處油管內(nèi)潤滑油流動(dòng)情況，能清楚地看到潤滑油呈油膜形式均勻沿管壁流動(dòng)。檢查油量、空氣壓力、循環(huán)周期，確認(rèn)均按電主軸制造廠家要求設(shè)置，因此排除油氣潤滑設(shè)置問題。

由于龍門加工中心在設(shè)定開機(jī)時(shí)油氣潤滑裝置均按電主軸制造廠家要求設(shè)置節(jié)拍及向電主軸軸承提供潤滑，而龍門加工中心在調(diào)試階段電主軸并未正式運(yùn)轉(zhuǎn)過，并且觀察在電主軸端面上已有油滴，因此考慮是否是由于電主軸長時(shí)間未轉(zhuǎn)，而油氣潤滑裝置始終在為其提供潤滑油，導(dǎo)致軸承內(nèi)潤滑油過多所致。將電主軸以最高轉(zhuǎn)速連續(xù)空轉(zhuǎn)8 h，以快速消耗內(nèi)部潤滑油。再次將電主軸轉(zhuǎn)速調(diào)至1 500～5 000 r/min之間反復(fù)試驗(yàn)，但仍有異常聲。

在電主軸前端有氣幕保護(hù)，龍門加工中心開機(jī)時(shí)氣幕保護(hù)即開啟，以防止水霧進(jìn)入電主軸軸承。是否是氣幕保護(hù)的氣流影響到電主軸軸承發(fā)出異常聲呢？由于沒有開啟冷卻液，因此將氣幕保護(hù)關(guān)閉，測試能否消除異常聲。試驗(yàn)結(jié)果為仍然存在異常聲，由此判斷出現(xiàn)異常聲并非由氣幕保護(hù)所引起。

油氣潤滑系統(tǒng)中的潤滑泵、空氣處理單元及混合閥全部安裝在同一塊安裝板上，如圖4所示。這一安裝板安裝在龍門加工中心左立柱后部側(cè)方，這樣從混合閥出口到電主軸軸承潤滑點(diǎn)之間的管道明顯較長，要經(jīng)過立柱與橫梁到Y(jié)軸、Z軸拖鏈，再從電主軸箱頂端向下到三個(gè)潤滑點(diǎn)。潤滑油運(yùn)動(dòng)黏度、壓縮空氣壓力、壓縮空氣流量對(duì)精密角接觸球軸承的溫升有影響［11］，油氣管道過長會(huì)導(dǎo)致過多的壓力損失，這是否是產(chǎn)生異常聲的原因呢？

將空氣處理單元的減壓閥壓力分別調(diào)至0.5 MPa和0.6 MPa，使電主軸低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。再將混合閥從安裝板上拆下，將其固定在電主軸箱中間位置。此時(shí)油氣潤滑管道長度約1.2 m，并將空氣處理單元的減壓閥壓力調(diào)至0.4 MPa，電主軸低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)?；旌祥y保持固定在電主軸箱中間位置，將空氣處理單元的減壓閥壓力分別調(diào)至0.5 MPa和0.6 MPa，使電主軸低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

▲圖4 油氣潤滑系統(tǒng)集成安裝示意圖

經(jīng)過上述試驗(yàn)，當(dāng)混合閥固定在電主軸箱中間位置，空氣處理單元的減壓閥壓力調(diào)至0.6 MPa時(shí)，電主軸未出現(xiàn)之前的異常聲。

4 結(jié)束語

通過所述故障可以發(fā)現(xiàn)，油氣潤滑在實(shí)際應(yīng)用中需考慮壓縮空氣的工作壓力及油氣管道的長短，這兩種因素會(huì)綜合影響油氣管路中油膜的形態(tài)及軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。