大規格軸承在大型放療設備旋轉機架中的應用*

西安大醫集團有限公司 研發中心 西安 710016

1 研究背景

大規格軸承廣泛應用于大型數控機床、雷達、火炮、風電、工程機械等行業,多為立式布局。隨著這些行業的快速發展,立式回轉支承技術的應用逐漸成熟。而大規格軸承在臥式回轉支承中的應用較少,常見的有盾構機刀盤回轉支承和螺旋斷層掃描機旋轉機架回轉支承。盾構機以動力支承為主,對回轉精度要求較低。斷層掃描機以輕載高速運動為主,對分度精度也無較高要求。

國家對全民健康高度重視,對國產大型醫療設備的研發支持力度不斷加大。大型放射治療是研發難度最大的一類醫療設備,目前主導市場的是美國瓦里安、瑞典醫科達、美國安科銳等品牌,國內高端市場基本被壟斷。大型放療設備屬于精密重型裝備,對安全性、精度、可靠性及使用壽命有嚴格要求。旋轉機架是主機支承部件,運行精度、安全性、使用壽命直接決定了整機的使用壽命與精度。隨著放療技術的發展,為滿足精準治療的需求,旋轉機架向滾筒式、高精度、一體化方向發展,大規格軸承在旋轉機架中的應用越來越廣泛[1]。圖1所示為兩款典型的大型放療設備旋轉機架,為達到治療目的,需要采用臥式布局。研究大規格軸承在大型放療設備旋轉機架中的應用,對提高國產放療設備整機性能有積極意義。

圖1 大型放療設備旋轉機架

2 大規格軸承分類與特點

大型高端裝備的快速發展促進了大規格軸承的需求及技術進步,大規格軸承的典型應用有大型數控機床轉臺、雷達轉塔、盾構機旋轉刀盤支承、兆瓦級風電齒輪箱、礦山機械等。目前市場上應用廣泛的大規格軸承種類有交叉滾子軸承、推力向心軸承、四點接觸式球軸承、深溝球軸承、轉盤軸承等,其技術特點見表1[2-7]。

表1 大規格軸承分類與特點

3 旋轉機架運行工況分析

大型放療設備包括伽馬刀、醫用直線加速器、質子加速器等,旋轉機架是主要功能部件。旋轉機架多為重載運行,治療頭在旋轉機架帶動下對患者進行輻射治療,治療頭中含有大量鉛合金、鎢合金,質量一般達數千千克。若為質子治療系統,則質量更是達到十萬千克級別,回轉支承載荷大。

旋轉機架運行時為低速運行,潤滑條件惡劣。大型放療設備應用于患者治療,出于治療安全考慮,依據法規,旋轉轉速很低。以伽馬刀為例,治療過程中,機架旋轉速度通常慢于1 r/min,屬于極低速。部分設備受安裝線纜限制,不能連續回轉運動,而是進行正反轉往復運動。低速往復運動時,軸承滾子和滾道之間很難形成彈流潤滑膜,這使旋轉機架支承軸承潤滑條件進一步惡化。

支承軸承受輻照,潤滑易失效。大型放療設備安裝在醫院機房,使用環境需要達到一定要求,一般為無塵、恒溫、恒濕環境。治療過程中,束流的散射會加速潤滑脂老化,造成潤滑脂提前失效,使軸承潤滑條件更為惡化。

通過以上分析可見,大型放療設備旋轉機架中,回轉支承軸承面臨低速、重載、往復擺動的特殊工況,并處于輻射環境之中。在過大的靜載荷或沖擊載荷作用下,套圈滾道與滾動體接觸處的局部應力會大于材料的屈服強度,導致滾道表面產生過大的塑性變形,使軸承不能正常工作。因此,在設計時需要解決軸承的主要矛盾,預防軸承滾道表面塑性變形、磨損及潤滑不良。

4 回轉支承軸承受力及失效形式分析

大型放療設備旋轉機架中,回轉支承軸承安裝位置不易拆卸,這對軸承的使用壽命及可靠性提出了嚴格的要求。通常要求支承軸承的使用壽命與整機使用壽命相同,不短于10 a。需要依據工況選擇合適的軸承類型,對軸承失效形式進行分析,基于合適的計算準則,對軸承進行設計,以克服潤滑條件不良所造成的失效風險。

回轉支承軸承所受載荷的大小、方向及性質是選擇軸承類型的主要依據。旋轉機架在運行過程中,施加在回轉支承軸承上的載荷主要是重力。軸承主要承受由滾筒及負載重力所產生的徑向載荷、由軸向竄動產生的軸向載荷,以及滾筒與負載綜合質心偏離軸承支點所引起的傾覆力矩。

通常軸承外圈固定,內圈旋轉,因此作用在內圈上的載荷為靜止載荷,作用在外圈上的載荷為旋轉載荷。當內圈旋轉時,滾動體隨之滾動,內外圈與滾動體之間的接觸位置不斷發生變換,接觸應力隨接觸位置的不同而產生脈動變化。滾動體位于軸承上端時,受載極小;位于下端時,受載最大。對于采用雙軸承支承方案的旋轉機架,軸承受載以徑向為主,以軸向為輔。

接觸應力和變形的計算是軸承性能分析的關鍵,軸承接觸應力對軸承的疲勞壽命與額定靜載荷有重要影響。軸承滾動體與滾道的接觸多為點接觸或線接觸,接觸載荷只作用在很小的接觸面上,這導致在接觸區域產生較大的接觸應力。對于常規工況,軸承的失效形式主要是疲勞點蝕,應按軸承的額定動載荷進行壽命計算。對于隨旋轉機架低速、重載、往復擺動運行的回轉支承軸承,主要失效形式是塑性變形,應按軸承的額定靜載荷進行強度計算[8-9]。軸承兩種主要失效形式如圖2所示。

圖2 軸承主要失效形式

良好的潤滑是軸承長期可靠運行的前提,潤滑不良,局部應力增大,變形增大,造成接觸區域擠壓變形。尤其是在低速換向時,滾動體與滾道之間的稀薄油膜被進一步撕裂,造成滾動體與滾道直接接觸。潤滑不良是造成重載低速軸承塑性變形的一個主要原因,在進行軸承設計時,潤滑應考慮采用包含極壓添加劑的潤滑脂,增大潤滑脂的附著力[10]。對于大型放療設備旋轉機架,還需要考慮潤滑脂的耐輻照能力。旋轉機架回轉支承軸承主要失效形式與原因見表2。

表2 旋轉機架回轉支承軸承主要失效形式與原因

5 應用設計

某公司開發了一款大型放療設備,采用滾筒式旋轉機架,機架進行-275°～275°往復擺動運動,最高轉速為1 r/min,旋轉滾筒及安裝在旋轉機架上的治療頭等載荷共計112.7 kN。旋轉機架采用雙軸承支承,以徑向受力為主,同時承受一定的傾覆力矩及軸向竄動力。軸承選擇徑向承載為主的軸承,同時兼顧軸向承載。采用雙支承時,傾覆力矩較小,可以忽略。根據對各類大規格軸承承載及應用工況的對比分析,確定旋轉機架采用大型深溝球軸承雙支承,要求軸承有較大的徑向游隙,以增大軸承的軸向承載力。軸承布局與受力分析如圖3所示,旋轉機架回轉支承軸承受載情況見表3,深溝球軸承選型設計參數見表4。

圖3 軸承布局與受力分析

表3 旋轉機架回轉支承軸承受載情況 kN

表4 大型深溝球軸承選型設計參數

表4中,P0、C0計算式分別為:

P0=X0Fr+Y0Fa

(1)

C0≥S0P0

(2)

為獲得較大的治療空間,大型放療設備旋轉機架所需軸承的直徑較大,軸承的承載能力與尺寸規格成正比關系。在滿足安裝尺寸的前提下,所選用的軸承,其許用承載力遠大于軸承的實際承受載荷。大型深溝球軸承免維護,成本低,因此是比較合理的選擇。

6 結束語

大型放療設備旋轉機架屬于精密重型臥式回轉功能部件,轉速低,載荷重,運行時主要為往復擺動運動。旋轉機架回轉支承軸承以承載徑向載荷為主,同時承受適量的傾覆力矩及軸向載荷。當旋轉機架為雙支撐結構時,采用大型深溝球軸承雙支承完全能夠滿足回轉支承的要求。當旋轉機架采用單軸承懸臂式布局時,傾覆力矩大,軸向載荷占比增大,可以嘗試選用轉盤軸承,建議優先選用三排圓柱滾子組合轉盤軸承。