凸輪軸磨床砂輪靜壓主軸的研究性修復

呂利偉 閆興軍

（一拖（洛陽）柴油機有限公司 河南洛陽）

一、故障簡介

日本NTC凸輪軸磨床是一臺對柴油機凸輪軸各凸輪表面進行精加工的設備。在日常使用過程中，砂輪主軸出現抱瓦現象，造成靜壓主軸咬死。同時發現主軸發熱量高，溫度高達100℃以上。直接造成設備停機，為了能夠挽回企業停產造成的損失，決定成立項目小組進行修復。

二、故障診斷分析

（1）由于砂輪主軸屬于靜壓軸承主軸，旋轉速度高，轉速高達5800 r/min，回轉精度高。該靜壓主軸采用供油壓力恒定系統的液體靜壓軸承和軸瓦的構造。外部供給的壓力油通過節流器后從供油壓力降至油腔壓力，再通過封油面與軸頸間的間隙從油腔壓力降至環境壓力。軸承在軸不受外力時,軸頸與軸承孔同心,各油腔的間隙、流量、壓力均相等，即設計狀態。當軸受外力時軸頸位移，各油腔的平均間隙、流量、壓力均發生變化，這時軸承外力與各油腔油膜力的向量和平衡。節流器起自動調節油腔壓力和補償流量的作用，其補償性能會影響軸承的承載能力、油膜剛度等。該主軸采用小孔節流器。由于軸的旋轉,在軸承封油面上有液體動壓力產生,有利于提高軸承的承載能力。這種現象稱為動壓效應，速度越高，動壓效應也越顯著。所以對壓力油的性能要求很高，工作的同時將伴隨大量的熱量產生，一旦熱量不能及時帶走，將會對主軸的剛度產生影響，同時對壓力油的黏度也會產生影響，造成主軸壓力的波動，主軸浮起量發生改變，引起軸承干摩擦，進而產生更多的熱量，打破散熱平衡，最后造成主軸咬死。

（2）通過對主軸系統的檢查發現幾個問題。①主軸表面溫度和油箱溫度偏高。②蓄能器蓄能效果大大下降，不能滿足使用要求。③拆開主軸后發現內部殘留的油液中含一種黏稠的物質，初步斷定為主軸潤滑油中含雜質所致。④靜壓軸承磨損嚴重，有嚴重的拉毛痕跡，經測量靜壓軸承靜壓油腔間隙不均勻，最大間隙達0.2 mm，遠遠超出要求的0.07 mm。⑤部分節流器節流孔被油液中臟物堵塞，造成油腔中作用于軸的靜壓力不能將軸浮起，浮量達不到要求，造成干摩擦。

（3）針對檢查結果及查閱相關資料，同時咨詢生產廠家專家，這種精度高的靜壓主軸系統，一旦出現磨損或主軸咬死現象，修復非常困難，一般都是采用更換的方式。面對廠實際情況，購買或訂購主軸周期長，決定試著修復這一故障。通過查閱靜壓潤滑主軸軸承相關資料可知，要想保證主軸軸承的正常運轉，必須保證形成可靠的外部壓力、油腔壓力和環境壓力。產生主軸浮量，形成壓力油膜，以承受載荷。

三、修復實施方案

（1）根據診斷情況，項目組制定了兩套修復方案。①通過對磨損軸瓦的刮研，盡量均衡油腔各部位的間隙，以獲得可靠的油腔壓力，同時對各個節流器進行改進，通過改變其小孔直徑的方法改變流量和壓力，以獲得可靠的環境壓力。此方案簡單可行，實施時間短。②通過對磨損軸瓦鑲嵌新的巴士合金層的方法，形成符合要求的油腔間隙，清洗堵塞的節流器，以形成可靠的油腔壓力和環境壓力，保證主軸浮量，形成壓力油膜。

（2）方案實施前，首先對油箱進行了清潔保養，注入美孚6號潤滑油，以保證壓力油液的性能要求，其次通過查閱原蓄能器技術指標以及蓄能要求，購買更換了符合使用要求的蓄能器。然后對空調冷卻系統進行了檢查，保證冷卻系統能夠正常運行。同時對油泵以及各壓力元件進行了檢查，保證外部壓力的恒定。

（3）方案一的實施。①通過對軸瓦的反復刮研，測量，盡量保證軸瓦各部分直徑的統一，獲得更為接近的油腔間隙。②測繪加工不同小孔直徑的小孔節流器，從0.5 mm到2.0 mm各不同尺寸各準備一套（6個），以備調整使用。③將主軸軸承安裝到頭架上，供上外部壓力油，用手輕輕盤動主軸，觀察主軸是否轉動靈活，失去外力后主軸是否具有一定的自轉慣性，以確認是否獲得均勻的承載油膜。同時打表測量主軸兩端的浮起量，看是否接近，達到使用要求。然后拆下來觀察軸和軸瓦干摩擦部分，進行局部刮研，同時根據浮起情況調整小孔節流器。④按照此方法反復進行刮研修復調試，直到主軸供上壓力油后，盤動靈活，浮起量兩端均勻，具有一定的轉動慣性后，連上電機、皮帶，調好張緊力，啟動電機進行試車轉動，并觀察儀表反應的主軸平衡量是否在要求的范圍內，觀察一段時間，看主軸溫度情況，依次反復進行多次試驗。⑤經常若干次的實驗，主軸能夠達到轉動靈活，浮量達到要求，但是無法獲得可靠的剛度，一旦高速旋轉，主軸就會偏離，回轉度超差，出現部分干摩擦，熱量無法散去，主軸溫度急劇升高，不能達到使用要求。充分證明，對于精度要求高的靜壓軸承，油腔內環境壓力通過方案一無法達到使用要求。

（4）在方案一失敗后，立即進行方案二的實施。①通過查閱資料，確定了選擇錫基巴士合金做為軸瓦材料，由于在原來的軸瓦基座上澆注會破壞原來軸向的巴士合金層以及環帶內部的巴士合金層。只有采取鑲嵌巴士合金套的方法修復軸瓦。②對軸瓦原來的巴士合金涂層進行測繪，由于軸瓦的配合尺寸為軸瓦孔為直徑 80.07－0.005 mm，軸直徑 80－0.005 mm，有效長度80 mm，確定鑲嵌巴士合金套底孔直徑83.8-0.01 mm，以保證鑲嵌后巴士合金套的壁厚達1.9 mm。同時為了保證巴士合金套外圓的加工，需要設計一個剛性大的環，讓巴士合金澆注到環上，通過對各個尺寸的測繪及圖紙確認，設計了一個外徑77 mm，內徑72 mm，長度81 mm，材料為45號剛的環作為巴士合金澆注的環座。③聯系巴士合金澆注廠家，澆注出符合要求的巴士合金毛坯套。④在廠辛辛那提小型立式加工中心上進行加工，首先對磨損的軸瓦巴士合金層進行鏜削加工到底孔直徑83.8+0.005 mm，然后對巴士合金套外徑及長度進行加工，直徑尺寸達到83.8-0.005 mm，長度80 mm。然后利用特種膠涂在巴士合金外圓上進行鑲嵌。⑤等待一段時間，使其完全粘接牢固后進行內孔的加工，首先小進刀量鏜削加工，將環座鏜削掉，然后對巴士合金進行加工，直徑達到80.07－0.005 mm。⑥對整個圓周的6個節流器安裝孔進行加工，滿足節流器的安裝要求。⑦加工完成后，重新在主軸頭架上進行安裝試轉以及浮量的測量，同時盤動主軸檢查轉動靈活性及轉動慣性。按照方案一的調試方法進行調整，對旋轉中出現的局部接觸點進行微量的刮研。通過調整測試，砂輪近端選擇直徑0.6 mm的小孔節流器，遠端選擇直徑0.8 mm的小孔節流器。砂輪遠端浮量0.012 mm，近端浮量0.001 mm。回轉精度也在0.005 mm以內。⑧在電機的驅動下，經過近3 h的空運轉，主軸溫度控制50℃以下，主軸一切運轉正常。

（5）對靜壓主軸單元各個外圍元件及砂輪進行安裝，試車進行零件加工。

四、修復效果

現場對主軸進行兩天的跟蹤觀察，主軸轉動及油溫正常，加工出的零件也完全達到工藝要求。然后又對其進行了兩周的定期檢查回訪，設備一切運行良好，完全達到正常使用要求。

該靜壓軸承主軸總成（含底座），日本報價45萬元人民幣，交貨周期半年以上。提供圖紙委托上海機床廠加工靜壓軸承軸瓦，主軸部件總成（不含底座）報價22萬，交貨周期5個月。除去維修中巴士合金套的外委加工及內部加工費用近2萬元。綜合考慮，該項修復直接為公司節省維修費用20萬元人民幣。