關(guān)于絲杠溫升問題的分析和解決方案

摘 ?要：本文針對五坐標(biāo)數(shù)控龍門銑床Y向傳動絲杠在空載試運行過程中出現(xiàn)的溫升過大導(dǎo)致絲杠支撐軸承損壞的問題進行了分析，主要從軸承預(yù)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(jīng)過了應(yīng)用驗證。

關(guān)鍵詞：溫升;絲杠;預(yù)緊

1.問題描述

公司為某航空工廠自主研發(fā)的五坐標(biāo)數(shù)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(fā)熱嚴(yán)重，對絲杠不同的位置（如圖1）進行溫度測量，經(jīng)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(qū)動機床滑板及擺角頭沿Y向全行程5000mm范圍內(nèi)以2000mm/min（絲杠轉(zhuǎn)速200r/min）和5000mm/min（絲杠轉(zhuǎn)速500r/min）的速度往復(fù)進行空載運行，在運行連續(xù)運行3個多小時的時間后，出現(xiàn)上述故障。

將絲杠軸承座拆開發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)推力軸承保持架損壞（如圖2），滾道磨損嚴(yán)重（如圖3）。

2.絲杠支撐結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(jié)構(gòu)如圖5：其中1后端鎖緊螺母，2外隔環(huán)，3內(nèi)隔環(huán)，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(yù)載過大

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

根據(jù)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(dāng)絲杠溫升1℃時，絲杠伸長加載在內(nèi)側(cè)推力軸承上的力

如果按10℃的溫升計算，絲杠伸長加載在內(nèi)側(cè)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(dǎo)致絲杠外拱，絲杠外拱會導(dǎo)致絲杠與推力軸承的接觸面與軸承的回轉(zhuǎn)中心不垂直，載荷不是均勻的有所有滾子承擔(dān)，而是由部分甚至幾個滾子承擔(dān)，軸承壽命大降低，很快就會損壞。

改進措施：

通過分析計算，內(nèi)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(jù)以上分析結(jié)果。軸承內(nèi)隔環(huán)2的寬度應(yīng)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(xiàn)軸承的11300N的預(yù)緊力（查軸承樣本軸承81216的推薦預(yù)緊力為11300N），內(nèi)圈承受47692-11300=36392N的力防止螺母松動，保證外側(cè)推力軸承不卸載。為了補償熱伸長絲杠需要預(yù)拉伸，INA建議預(yù)拉伸可按1度拉伸，考慮到實際情況和參考其他機床的預(yù)拉伸，預(yù)拉伸按2度來處理按現(xiàn)在的支撐跨距，拉伸應(yīng)該在0.08左右，將調(diào)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(gòu)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(chǎn)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(chǎn)生最高可達20度的溫升。

為了驗證骨架油封對絲杠發(fā)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(biāo)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(huán)），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(huán)運行90分鐘。試驗結(jié)果如表2，表3。

從試驗結(jié)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?xí)r產(chǎn)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(biāo)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(huán)），每隔半個小時記錄各測溫點溫度及絲杠伸長數(shù)值。試驗時長6小時

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

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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(shè)備有限公司，高級工程師，碩士，主要從事航空專用裝備、關(guān)鍵功能部件、生產(chǎn)線設(shè)計研究。

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