高速電主軸油氣潤滑問題的分析研究

□ 張 玥 □ 郭旭紅

1.蘇州大學機電工程學院 江蘇蘇州 215006

2.紐威數控裝備（蘇州）有限公司 江蘇蘇州 215153

1 研究背景

隨著航空航天、軌道交通、風電、模具等行業的快速發展，高速精密切削加工設備的應用日益廣泛。高速電主軸作為核心部件之一，對高速精密設備的性能和使用壽命有很大影響。

相比于傳統機械主軸，采用電主軸結構，并由內裝式電機直接驅動，可以省去聯軸器、齒輪、皮帶等傳動環節，具有轉速快、精度高等特點［1-3］。

運轉時的電機損耗發熱及主軸軸承摩擦發熱是導致高速電主軸熱變形的主要因素，目前針對電機損耗發熱，通常使用水冷機進行冷卻。電主軸軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉速、負荷、允許溫升及類型有關，主要潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑，高速大功率電主軸當前最有效的潤滑方式為油氣潤滑［4-5］。如圖1所示，油氣潤滑系統包括潤滑油泵、潤滑劑管道、空氣處理單元、壓縮空氣管道、混合閥、油氣管道、螺旋軟管及噴嘴等，混合閥具有計量功能。

高速電主軸在采用油氣潤滑時，分配器的潤滑油和壓縮空氣管道中的氣流混合，在壓縮空氣流動的作用下，使潤滑油沿管道內壁不斷地螺旋狀流動，并形成連續油膜，在經過出油口噴嘴后產生連續的液滴形態油流量［6-7］，并在不接觸表面的情況下向滾動軸承提供足夠的潤滑油。此外，持續的氣流沖擊向軸承表面提供輕微的超量壓力，避免軸承遭受外部污染。油氣潤滑系統不僅沒有油霧產生，而且有益于軸承表面保持清潔，可以降低養護成本。

▲圖1 油氣潤滑系統

筆者對高速電主軸在龍門加工中心上安裝調試時出現的與油氣潤滑相關的問題進行分析與研究。

2 故障現象

在恒溫環境中，電主軸安裝在龍門加工中心上。電主軸軸承采用精密角接觸陶瓷球軸承，按電主軸制造廠家要求設置軸承油氣潤滑的油量、空氣壓力、空氣過濾精度及節拍，見表1，然后進行電主軸試運轉［8-9］。潤滑油類型為添加極壓添加劑的68號潤滑油。

表1 油氣潤滑要求

這一電主軸的最高轉速為18 000 r/min，扭矩在連續工作制與工作時間占一個工作周期的40%時分別為87 N·m與130 N·m，按表2空運轉循環要求進行空運轉循環，再將電主軸轉速設定至18 000 r/min連續運轉20 min。

表2 空運轉循環要求

隨后按設定程序進行跑合試驗，在跑合過程中主軸突然發出 “吱吱”聲，立即停機進行檢查。

3 故障檢查

由于龍門加工中心仍處于安裝調試階段，且在安裝過程中對油管、冷卻液等入口均進行了防護，因此排除異常聲為雜質引起的摩擦聲［10］。

發出“吱吱”異常聲，首先判斷是否為電主軸松刀油缸活塞端面與電主軸拉刀桿端面間摩擦所致。檢查液壓系統各回路壓力，均與設計要求一致。在電主軸拉刀時，主軸拉刀油路始終保持2 MPa壓力，以使活塞復位。圖2與圖3分別為電主軸制造廠家人員拆下油缸后電主軸尾部及松刀油缸端部，經檢查均未見摩擦痕跡，排除此原因。

▲圖2 電主軸尾部

▲圖3 松刀油缸

再次開機，經反復運轉發現電主軸在轉速1 000～5 000 r/min時出現“吱吱”聲，且在轉速4 000 r/min左右時最為頻繁，而在高速運轉時無異常聲。經判斷，很有可能是主軸軸承滾珠發出了異常聲。

檢查油氣潤滑系統各軸承近入口處油管內潤滑油流動情況，能清楚地看到潤滑油呈油膜形式均勻沿管壁流動。檢查油量、空氣壓力、循環周期，確認均按電主軸制造廠家要求設置，因此排除油氣潤滑設置問題。

由于龍門加工中心在設定開機時油氣潤滑裝置均按電主軸制造廠家要求設置節拍及向電主軸軸承提供潤滑，而龍門加工中心在調試階段電主軸并未正式運轉過，并且觀察在電主軸端面上已有油滴，因此考慮是否是由于電主軸長時間未轉，而油氣潤滑裝置始終在為其提供潤滑油，導致軸承內潤滑油過多所致。將電主軸以最高轉速連續空轉8 h，以快速消耗內部潤滑油。再次將電主軸轉速調至1 500～5 000 r/min之間反復試驗，但仍有異常聲。

在電主軸前端有氣幕保護，龍門加工中心開機時氣幕保護即開啟，以防止水霧進入電主軸軸承。是否是氣幕保護的氣流影響到電主軸軸承發出異常聲呢？由于沒有開啟冷卻液，因此將氣幕保護關閉，測試能否消除異常聲。試驗結果為仍然存在異常聲，由此判斷出現異常聲并非由氣幕保護所引起。

油氣潤滑系統中的潤滑泵、空氣處理單元及混合閥全部安裝在同一塊安裝板上，如圖4所示。這一安裝板安裝在龍門加工中心左立柱后部側方，這樣從混合閥出口到電主軸軸承潤滑點之間的管道明顯較長，要經過立柱與橫梁到Y軸、Z軸拖鏈，再從電主軸箱頂端向下到三個潤滑點。潤滑油運動黏度、壓縮空氣壓力、壓縮空氣流量對精密角接觸球軸承的溫升有影響［11］，油氣管道過長會導致過多的壓力損失，這是否是產生異常聲的原因呢？

將空氣處理單元的減壓閥壓力分別調至0.5 MPa和0.6 MPa，使電主軸低轉速運轉。再將混合閥從安裝板上拆下，將其固定在電主軸箱中間位置。此時油氣潤滑管道長度約1.2 m，并將空氣處理單元的減壓閥壓力調至0.4 MPa，電主軸低轉速運轉。混合閥保持固定在電主軸箱中間位置，將空氣處理單元的減壓閥壓力分別調至0.5 MPa和0.6 MPa，使電主軸低轉速運轉。

▲圖4 油氣潤滑系統集成安裝示意圖

經過上述試驗，當混合閥固定在電主軸箱中間位置，空氣處理單元的減壓閥壓力調至0.6 MPa時，電主軸未出現之前的異常聲。

4 結束語

通過所述故障可以發現，油氣潤滑在實際應用中需考慮壓縮空氣的工作壓力及油氣管道的長短，這兩種因素會綜合影響油氣管路中油膜的形態及軸承的運轉狀況。