大（dà）型轉軸加工專機主（zhǔ）軸靜壓軸（zhóu）承故障分析及處理方案

Rapid 6K大型轉軸（zhóu）加工機床（chuáng）在使（shǐ）用過程中，主軸經常與靜壓軸承發生摩擦。根據對故障現象（xiàng）的綜合分析，將原有的恒壓靜壓徑向軸瓦改造為（wéi）恒流（liú）靜壓結構。在原有結構參數的基礎上，重新設計了（le）改造形式和靜壓參數，製定（dìng）了合理的改造方案，對機床靜壓主軸係統的改造設計具有一定的參考價值和現實意義。

1前言

Rapid 6K大型（xíng）轉軸加（jiā）工（gōng）機床是1985年從德國Wadrich Coburg公司引進的。經過多年的使用，機床設備已經老化，特別是主軸精度已經嚴重超標。靜壓主軸在使用過程中經常與軸瓦發生磨損，維修周（zhōu）期長，嚴重影響（xiǎng）生產（chǎn）和使用。經過調查分析，決定在機床原有結構的基礎上重新設計主軸徑向靜壓軸承襯套。

2靜壓軸承的改造（zào）形（xíng）式

由於機床主（zhǔ）軸性能直接影響零件的加工質量和加（jiā）工精度，主軸靜壓軸（zhóu）承（chéng）的性能對機床的總體設計至關重要[1]。

Rapid 6K大型轉軸加工機床的主軸（zhóu）軸承過去（qù）是恒壓靜（jìng）壓軸瓦結構。通過對故障現象的綜合分析和主軸精度（dù）檢測，機床主軸和靜壓軸瓦在長期使用後已經磨損。當負荷增加時，恒壓靜（jìng）壓不能保證軸瓦的油（yóu）膜（mó）厚度，導致軸瓦頻繁研磨（mó）損壞。初步計劃改造成滾動軸承軸承結構，但實際測繪後，所需軸承直徑大於軸瓦直徑。由於主軸箱空間有限，隻能采用靜壓軸承支撐結構。

靜壓軸承的原理如圖1所示。根（gēn）據液壓係統供油形式的不同，可分為恒壓靜壓軸（zhóu）承和恒流靜壓軸承兩種類型[2]。兩種供油方（fāng）式（shì）各有利弊。綜合比較，恒流（liú）靜壓軸承（chéng）具有以下（xià）優點[3，4]。

(1)恒流（liú）靜液壓係（xì）統壓力儲備大，過載能力強。機床主軸的工作負荷不平衡，所以恒壓靜（jìng）壓軸承油腔壓力不一致。如果一個油腔達到（dào）或接近液壓泵的壓力，就不能建立靜壓油膜。但隻（zhī）要供油係統有足夠的流量（liàng），恒（héng）流靜壓軸承就能保（bǎo）證旋轉（zhuǎn）摩擦副不接觸，形成純液體油膜摩擦（cā）。

(2)良好的油膜剛度（dù）恒流靜壓係（xì）統形成的油膜剛度優於帶節流裝置的恒壓係統。

(3)功耗低。恒壓靜液壓係統的液壓油通過節流閥會產生壓降（jiàng）消耗（hào）功率，溢流閥在調節壓力溢流時也會消耗功率和熱量，導致機床熱變形，降低機床的（de）運動精度（dù）。

(4)抗油（yóu）汙能力強的阻氣門容易被潤滑油（yóu）中的雜質堵塞。一旦（dàn）節流器堵塞，恒（héng）壓係（xì）統就會失（shī）效。如果采用恒流靜壓軸承，就不（bú）會出現這種問題。

綜上所述，權衡利弊（bì），本次機床主軸改造采用（yòng）恒流靜壓軸承（chéng）結構。

3靜壓軸承（chéng）和靜壓係統參（cān）數

根據機床數據（jù）和實測，Rapid 6K主軸加工機床主軸原徑向軸承尺寸如圖2所示（shì），徑向（xiàng）軸瓦（wǎ）及其供油係統已知情況如（rú）下:銑軸尺（chǐ）寸為圖片；靜軸瓦與銑軸的（de）間隙為0.05 ~ 0.06毫米；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1毫米；；靜態室的數量為4個；靜室供油壓力(入（rù）口壓力)為40kgf/cm (1kgf = 9.8n，下同)；靜壓室油壓（yā）(出口壓力)為8 kgf/cm；液壓泵的型號為Qt 3132-20-10f-a；液壓泵壓力為（wéi）62k gf/cm；液壓泵的流量為42.2 l/min；；液壓泵（bèng）馬（mǎ）達型號為Y132S-4，功率5.5kW，轉速1440 r/min；液（yè）壓油品牌（pái）為DI N51502 HLP10，動力（lì）粘度為9.2×10-8 kgf·s/cm。

4支座改造的設（shè）計與計算

根（gēn）據已知條件，靜壓軸承的流量係數為

B=(L-a)/(6b) (1)

式中，b為流量係數；l為軸承（chéng）長度(mm)；a是軸向油密封麵長度(mm)；b為周向油（yóu）封（fēng）表麵的（de）寬度（dù）(mm)。

根據平行間隙層流的流量公（gōng）式，每個油腔的設計（jì）流量為

Q0= Bh03Pr0/ηt (2)

式（shì）中，Q0為軸承各油室的設計流量(cm3/s)；H0是（shì）油（yóu）膜的厚度（dù）(厘米)；Pr0為軸（zhóu）承各油室的設計壓力(kgf/cm2)；η是油的動力粘度(kgf·s/cm2)。

已知供油泵的（de）壓力為62kgf/cm2。根據經驗，Pr0≈30kgf/cm2，液壓油的動力（lì）粘度（dù）ηt = 9.2×10-8 kgf s/cm2，經計算，分別取B=0.482，h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，計算軸承各油（yóu）腔的流量。

根據表1中的數據，當油（yóu）膜厚（hòu）度為0.0025 ~ 0.0030厘米時，液壓係統的總供油（yóu）流量為

總q = kqσ Q0 (3)

式（shì）中，q總是液壓係統的總供油（yóu）流量(l/min)；KQ是供油流量係數(根據係數表取1.8)。

徑向（xiàng）靜（jìng）壓（yā）軸承有四個（gè）靜壓油室，因此係統最大總供油流量經計算為1.82L/min。

目前，機床主軸（zhóu）的一個（gè）徑向軸承和兩個端軸承油（yóu）泵的總（zǒng）供油流量為（wéi）42.2L/min。假設每個軸（zhóu）承的供油流量為14L/min，是靜壓軸承的7.7倍。因為流量太大，靜壓油室內的壓力會很高。為了降低油壓，必須使用溢流閥來降低流量（liàng），這樣會造成大量的油從（cóng）溢流閥溢出，引起油溫升高，進而導致靜壓軸承和主軸的研磨和損壞[5]。

根據每個軸承的供油流量14L/min(即每個（gè）靜壓油室的（de）流量為3.5L/min)，計算供油室壓力隨油膜厚度的（de）變化。油室壓力為

Pr0= Q0ηt/(Bh03) (4)

分別取（qǔ）h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，計算軸承各靜壓油腔的壓力值，如表2所示。

綜合考慮供油係統（tǒng）的設計壓（yā）力，考慮機床原（yuán）供油係統溢流（liú）閥的設定壓力為

7bar (1bar = 0.1mpa，下同)，45bar時係統會報（bào）警。根據數值分析的實際情況，初步決定對徑向靜壓軸（zhóu）承采取以下改進措施[6]。

1)徑向靜壓（yā）軸承的油膜厚度增加到0.0040～0.0045厘（lí）米

2)由於靜壓軸承（chéng）係統（tǒng）采用恒流壓力供給係統，供油流（liú）量宜取Q total =20L/min。

3)參考現（xiàn）場數據，采用大節流比。

5驗算和處理意見

當係統供油總量為QTotal =20L/min時，徑向（xiàng）軸承的流量約為6.67L/min。根據公（gōng）式(2)，改進後的軸承（chéng）單油室流量（liàng）和靜壓油膜厚度的相應值如表3所示。

根據表3中的數據，當油膜厚度為0.0040~0.0045cm時，液（yè）壓（yā）係統的供油流量為q total = 0.215×4×2.5 = 2.15(L/min)< 6.67 L/min(取KQ=2.5)，因此靜壓（yā）係統的供油流量滿足設計要（yào）求（qiú）。

通過對油膜剛度的（de）計算和驗證，發現在主軸靜壓位（wèi）移較大的情況下，靜壓油膜仍具有足夠的剛度和承載（zǎi）能力，滿足機床的生產（chǎn）需要。

根據以上分析和驗算，結果與Rapid 6K轉軸加工專機現場調試情況基本一致，因此（cǐ）對徑向靜壓軸承的處理意見如下[7，8]。

1)重新設計製造徑向靜壓軸承，軸承（chéng）內孔徑向油膜（mó）間隙為0.0040~0.0045cm

2)油膜間隙增大後，考慮節流（liú）比的增大，靜壓軸承供油流量（liàng）為20 ~ 25 L/min。

3)由於靜壓軸承沒有軸向回油槽結構，徑向節流邊的大小會影響內部流量係數（shù）和節流比（bǐ）的提高，所以減小（xiǎo）了周向油封麵的寬度，設計（jì）為b=20mm。

4)軸承內孔與（yǔ）350mm外圓的同軸度為0.005mm，以（yǐ）保證其旋（xuán）轉精度。

5)軸承兩端麵對內孔的（de）垂直度為0.005mm，需要研究檢查。

6結（jié）束語

本文根據快速6K主軸（zhóu）加工機床主軸靜壓軸承的故障現象，確定將其（qí）改造為恒（héng）流靜壓軸承結構（gòu），並對其進行了重新設計（jì）和計算（suàn）。確定了油膜厚度、供油係統壓力、流（liú）量等關鍵參數，並給（gěi）出了具體的處理建議。根據處理建議（yì）對靜壓軸瓦進行改造（zào）後，機床主軸通過了幾何精度試驗、高速試驗和切（qiē）削試驗，徹底解決了主軸磨削故障。機床運行良好，改造取（qǔ）得（dé）了圓滿成功。