高速干氣式密封件試驗機用電主軸的結構設計

俞 蓬，曹 琨，徐同申

（洛陽軸研科技股份有限公司 主軸開發部，河南 洛陽 471039）

干氣密封是20世紀60年代末期從氣體動壓軸承的基礎上發展起來的一種新型非接觸式密封。該密封利用流體動力學原理，通過在密封端面上開設動壓槽而實現密封端面的非接觸運行。干氣密封最初是為解決高速離心壓縮機軸封問題而開發的，由于密封非接觸運行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特別適合作為高速、高壓設備的軸封。隨著干氣密封技術的日益成熟，其應用范圍也越來越寬廣。目前，干氣密封正逐漸在離心泵及攪拌器上得到應用。特別在石油、化工等行業中，對有害氣體的泄漏必須嚴格控制，所以對干氣密封的轉速、性能等各方面的要求也越來越高，也催生了針對干氣密封產品的試驗機水平的提高。下文針對干氣式密封件高速、大扭矩等技術要求，詳細闡述高速干氣式密封件試驗機用電主軸的結構設計。

1 性能要求

干氣密封件試驗機用電主軸的性能要求為：額定轉速7 000 r／min，最高轉速25 000 r／min，額定功率47.7 kW，額定扭矩98.2 N·m，最大扭矩98.2 N·m，額定電流65 A。

試驗步驟一般為：

（1）快速啟動到1 000～2 000 r／min，以使密封腔內的密封件快速打開。

（2）逐步升速到試件要求的額定轉速的130%并穩定運行1～2 h，以便檢測泄漏量和溫升等數值。

（3）停轉并檢查密封件是否有破損或碎裂，若完好則為合格品。

根據該試驗機用電主軸的性能要求和試驗工況，初步確定電主軸的結構簡圖如圖1所示。

圖1 干氣式密封件試驗機用電主軸結構圖

2 電主軸的結構設計

2.1 軸系設計

為使試驗機電主軸單元在高速下穩定工作，除考慮工況、結構設計和成本外，還應保證軸系為全剛性設計，即使主軸的工作頻率遠低于其固有頻率。影響軸承固有頻率的因素很多，包含支承、預緊和軸承附加旋轉零件等［1］。因此在設計時，應用軸承CAD優化設計軟件迭代入軸承轉子動力學有限元專用分析軟件進行分析計算。通過調整支承軸承的位置、方式和預緊大小以及支承跨距、轉軸上附加零件的尺寸，對軸承的動力學性能和靜、動態性能進行優化設計。

軸系轉子動力學分析計算主要是核算轉軸的臨界轉速、剛度、支承軸承的動態性能和軸承的疲勞壽命等。需要輸入的參數有：軸系所劃分的各單元尺寸參數、材料、附加質量尺寸、材料參數及支承軸承的相關參數，并模擬實際加工情況給出外載荷，使計算的軸承壽命和軸承剛度更加準確。此處只給出轉軸節點圖（圖2），其他計算結果略。

圖2 干氣式密封件試驗機轉軸節點圖

2.2 潤滑系統設計

為滿足密封件試驗機高速可靠性，選用VEX50／NS＋VEX45／NS軸承，其轉速為28 000 r／min，dm·n值為1.4×106mm·r／min。油霧潤滑型電主軸的潤滑系統可控性較差，主軸軸承在高轉速時攪油發熱十分明顯，廢氣自然排放在空間，對周邊環境造成嚴重污染，不是一種理想的潤滑方式［2］。而油氣潤滑型電主軸的油氣是由油氣系統提供給電主軸軸承的，源源不斷供給的壓縮空氣主要起送油、散熱作用。潤滑油由16位機控制的定量泵按設定的時間間隔提供，經混合閥形成斷續油氣，以微滴狀態供給軸承。其供油量可由16位機調整，因此選用油氣潤滑能獲得更好的潤滑和散熱效果。此外，為確保主軸每套軸承都能得到充分潤滑，每套軸承都有一路潤滑通道。由于油氣潤滑電主軸是以微滴狀態供油的，因此應適當加大軸承配流環上噴口的直徑，同時應適當減少噴口數。

在整個潤滑系統設計方面，考慮到油氣潤滑軸承需分4路，在電主軸前蓋、后蓋分別通兩路潤滑孔至中間軸承隔圈，在隔圈兩側分別打兩個Φ2 mm小孔至軸承內圈，這樣就構成了4路單一供給潤滑油的油氣潤滑系統，其結構如圖3所示。

圖3 油氣潤滑系統

2.3 冷卻系統設計

電動機（定子）和軸承在高速旋轉狀態下會有發熱現象，如果不采用冷卻手段，其溫度將會一步步增加，進而造成電動機或者軸承的燒毀。因此建立整個電主軸的冷卻系統是很有必要的，而且要兼顧電動機和軸承的冷卻。該試驗機軸承的冷卻通過油氣潤滑系統，經微量的油氣帶走軸承的溫度，并通過轉軸與零件間的縫隙排出，達到散熱的目的。電動機采用某公司的MSS 142D＋MRS 142D電動機定、轉子，其中電動機自帶水冷腔，只需在電主軸后蓋處加工兩個孔，讓冷卻管道露出與水冷卻機接通即可。

2.4 預載荷系統的設計

為克服角接觸球軸承鋼球高速旋轉時自旋打滑，增強高速軸承支承及主軸的整體剛度，克服主軸電動機單邊磁拉力對轉軸的影響，高速軸系的軸承必須施加預載荷安裝［3］。

預載荷的取值對軸承的使用壽命、高速性及支承剛度的影響甚大。選擇合理的預載荷，可使軸承的鋼球高速運轉時處于理想狀態下，從而達到提高軸承使用壽命和增加支承剛性的目的。

該試驗機選用定壓預載荷系統的設計（圖4），由彈簧組預載使高速主軸在旋轉時軸承鋼球緊貼在溝道內運轉。這種組合的電主軸可達轉速比較高，相對壽命比較長，每套軸承上承受的力是總軸向力的1／2。同時預載荷值的大小也很關鍵，預載荷過小則主軸整體剛性明顯降低，軸向承載能力明顯下降。若設定的預載荷量不足以克服主軸工作時所承受的軸向力和各作用力，主軸在工作中將產生明顯振動。若原設定的預載荷低于軸承以額定轉速運轉時離心力的臨界值，則該電主軸軸承將出現打滑，從而急劇升溫產生特殊磨痕。同樣預載荷過大，則鋼球與溝道接觸區域的變形明顯增加，接觸應力增大；同時該區域內的潤滑油難以形成理想的動壓油膜，軸承的潤滑和散熱條件都變差，軸承的工作壽命將大幅下降［4］。通過實際工況的綜合考慮和經驗數據，確定該試驗機的預載荷值為800 N。

圖4 預載荷系統設計圖

順便要提到的一點就是，在完成總體結構設計、生產加工、裝配后，試運轉的時候發現編碼器反饋信號總是不穩定，時有時無。經過最終查證才發現，將編碼器固定在后軸承座上，成為一體，雖可以節省后部的空間，但后軸承座的振動會造成編碼器接收信號的不穩定。最終又設計過渡座讓編碼器固定在殼體上，從而解決了上述問題。

綜合以上分析，確定電主軸設計方案為：電動機選配某公司的MSS 142D＋MRS 142D電動機定、轉子，配裝某公司的HCS03驅動模塊，驅動程序由該公司編輯成文檔并用電腦書寫在模塊軟件上。編碼器選用某公司的GEL 2442使電動機實現速度閉環控制。同時選用某公司的2-VEX50／NS＋2-VEX45／NS軸承為支承，采用油氣潤滑。冷卻選用MCW-15型制冷水冷卻機，制冷溫度為16℃。

3 結束語

高速試驗機用電主軸在追求高效率的同時，又要求高速、高精度、高剛性及高可靠性等，在電主軸結構設計和分析的基礎上，廣泛采用系統化、集成化計算機技術。在該電主軸的設計中，充分考慮以上優化設計要點，可以使軸承的實際使用壽命延長50%以上，同時有效地提升了電主軸試驗機的質量。