高速干氣式密封件試驗機用電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

俞 蓬，曹 琨，徐同申

（洛陽軸研科技股份有限公司 主軸開發(fā)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(chǔ)上發(fā)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(shè)動壓槽而實現(xiàn)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(fā)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(shè)備的軸封。隨著干氣密封技術(shù)的日益成熟，其應(yīng)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(yīng)用。特別在石油、化工等行業(yè)中，對有害氣體的泄漏必須嚴格控制，所以對干氣密封的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)要求，詳細闡述高速干氣式密封件試驗機用電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)速7 000 r／min，最高轉(zhuǎn)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(nèi)的密封件快速打開。

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

（3）停轉(zhuǎn)并檢查密封件是否有破損或碎裂，若完好則為合格品。

根據(jù)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(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 干氣式密封件試驗機用電主軸結(jié)構(gòu)圖

2 電主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 軸系設(shè)計

為使試驗機電主軸單元在高速下穩(wěn)定工作，除考慮工況、結(jié)構(gòu)設(shè)計和成本外，還應(yīng)保證軸系為全剛性設(shè)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(yù)緊和軸承附加旋轉(zhuǎn)零件等［1］。因此在設(shè)計時，應(yīng)用軸承CAD優(yōu)化設(shè)計軟件迭代入軸承轉(zhuǎn)子動力學有限元專用分析軟件進行分析計算。通過調(diào)整支承軸承的位置、方式和預(yù)緊大小以及支承跨距、轉(zhuǎn)軸上附加零件的尺寸，對軸承的動力學性能和靜、動態(tài)性能進行優(yōu)化設(shè)計。

軸系轉(zhuǎn)子動力學分析計算主要是核算轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速、剛度、支承軸承的動態(tài)性能和軸承的疲勞壽命等。需要輸入的參數(shù)有：軸系所劃分的各單元尺寸參數(shù)、材料、附加質(zhì)量尺寸、材料參數(shù)及支承軸承的相關(guān)參數(shù)，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(zhuǎn)軸節(jié)點圖（圖2），其他計算結(jié)果略。

圖2 干氣式密封件試驗機轉(zhuǎn)軸節(jié)點圖

2.2 潤滑系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)可控性較差，主軸軸承在高轉(zhuǎn)速時攪油發(fā)熱十分明顯，廢氣自然排放在空間，對周邊環(huán)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(tǒng)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(shè)定的時間間隔提供，經(jīng)混合閥形成斷續(xù)油氣，以微滴狀態(tài)供給軸承。其供油量可由16位機調(diào)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(tài)供油的，因此應(yīng)適當加大軸承配流環(huán)上噴口的直徑，同時應(yīng)適當減少噴口數(shù)。

在整個潤滑系統(tǒng)設(shè)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(cè)分別打兩個Φ2 mm小孔至軸承內(nèi)圈，這樣就構(gòu)成了4路單一供給潤滑油的油氣潤滑系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油氣潤滑系統(tǒng)

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

電動機（定子）和軸承在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下會有發(fā)熱現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)，經(jīng)微量的油氣帶走軸承的溫度，并通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)載荷系統(tǒng)的設(shè)計

為克服角接觸球軸承鋼球高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的影響，高速軸系的軸承必須施加預(yù)載荷安裝［3］。

預(yù)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(yù)載荷，可使軸承的鋼球高速運轉(zhuǎn)時處于理想狀態(tài)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(yù)載荷系統(tǒng)的設(shè)計（圖4），由彈簧組預(yù)載使高速主軸在旋轉(zhuǎn)時軸承鋼球緊貼在溝道內(nèi)運轉(zhuǎn)。這種組合的電主軸可達轉(zhuǎn)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(yù)載荷值的大小也很關(guān)鍵，預(yù)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(shè)定的預(yù)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(chǎn)生明顯振動。若原設(shè)定的預(yù)載荷低于軸承以額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時離心力的臨界值，則該電主軸軸承將出現(xiàn)打滑，從而急劇升溫產(chǎn)生特殊磨痕。同樣預(yù)載荷過大，則鋼球與溝道接觸區(qū)域的變形明顯增加，接觸應(yīng)力增大；同時該區(qū)域內(nèi)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(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定該試驗機的預(yù)載荷值為800 N。

圖4 預(yù)載荷系統(tǒng)設(shè)計圖

順便要提到的一點就是，在完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)加工、裝配后，試運轉(zhuǎn)的時候發(fā)現(xiàn)編碼器反饋信號總是不穩(wěn)定，時有時無。經(jīng)過最終查證才發(fā)現(xiàn)，將編碼器固定在后軸承座上，成為一體，雖可以節(jié)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(wěn)定。最終又設(shè)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(shè)計方案為：電動機選配某公司的MSS 142D＋MRS 142D電動機定、轉(zhuǎn)子，配裝某公司的HCS03驅(qū)動模塊，驅(qū)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(xiàn)速度閉環(huán)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的基礎(chǔ)上，廣泛采用系統(tǒng)化、集成化計算機技術(shù)。在該電主軸的設(shè)計中，充分考慮以上優(yōu)化設(shè)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(zhì)量。