樹狀氣密封通道在石材雕銑電主軸上的瞬態(tài)流場研究

趙梓辰， 李頌華，2

（1.沈陽建筑大學機械工程學院， 遼寧 沈陽 110168；2.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術國家地方聯(lián)合工程實驗室， 遼寧 沈陽 110168）

0 引言

石材雕銑電主軸具有結構緊湊、 配合緊密和轉速較高等特點，是石材雕刻機床的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接決定了加工精度、加工效率和使用壽命。用于石材加工的雕銑電主軸由于長期處于潮濕的堿性加工環(huán)境， 主軸前端銹蝕嚴重，導致主軸加工精度下降、加工效率降低、使用壽命急劇縮短。 提高石材雕銑電主軸可靠性最直接的方法就是抑制主軸前端銹蝕。 本文主要采用設計主動密封結構的方法來抑制主軸前端銹蝕。

現(xiàn)有石材雕銑電主軸通常在主軸后端加工貫穿殼體的長孔，并在前軸承組的部位加工徑向孔，將氣體導入至軸體內(nèi)，密封氣體通過軸間縫隙從主軸前端或后端流出，這種傳統(tǒng)氣密封通道的密封效果足以滿足大多數(shù)用途電主軸，但應用在石材雕銑電主軸上還略有不足。

因此本文主要對氣密封通道的結構及作用位置進行創(chuàng)新設計。 優(yōu)化樹狀通道網(wǎng)絡的分布形式，提出一種直接應用在主軸前大蓋上的樹狀氣密封通道并構建三維模型；根據(jù)流體力學基本原理，建立了三維流體瞬態(tài)模型，并與傳統(tǒng)氣密封流場進行對比， 討論并比較了兩種氣密封流場的流體分布狀態(tài)并實驗驗證。

1 模型設計

在樹狀通道網(wǎng)絡分布上， 研究人員們探索出了兩種主要的結構，如圖1 所示。 這兩種樹狀結構的主要區(qū)別在于分支間的夾角。 圖1（a）中分支角為90°的樹狀結構由Chen[1]構建；圖1（b）中分支角為180°的樹狀結構由Yu[2]構建。

考慮到樹狀通道網(wǎng)絡的應用位置和圖1（a）中樹狀通道結構的分支角限制， 本文采用分支角為180°的樹狀通道結構。

想要生成圖1（b）中所示的樹狀通道結構，其幾何尺寸需要滿足以下比例定律[3]：

其中h 為通道高度，本文取h=rm+1-rm，其中rm+1為通道外徑；rm為通道內(nèi)徑。

圖1（b）中的樹狀結構想要分布在前大蓋上，就要在結構上進行調整。調整后的樹狀結構如圖2 所示，可知通道按照分布方向可分為周向和軸向。

圖1 兩種樹狀結構Fig.1 Two tree-shaped structures

圖2 調整后的樹狀結構Fig.2 After the adjustment of the treeshaped structure

周向通道長度用Lka表示（k 為正整數(shù)），Lka為弧長，包括La、L2a。 其橫截面形狀如圖3（a）所示為矩形，Wka為周向通道的寬度。 弧長Lka對應的圓心角αka（k 為正整數(shù)）如式（6）所示：

式中：rmid為通道中心半徑，rmid=（rm+1+rm）/2。

軸向通道長度用Lkb表示（k 為正整數(shù)），Lkb為線性長度，包括Lb、L2b。其橫截面為扇環(huán)，如圖3（b）所示，Wkb為軸向通道的寬度，扇環(huán)的圓心角βkb（k 為正整數(shù)）用式（7）表示：

圖3 樹狀通道橫截面形狀Fig.3 Lateral section shape of the tree-shaped channel

式（8）保證了樹狀氣密封通道在前大蓋上能夠充分分布且在最高分支處不發(fā)生重疊。

構建一個完整的樹狀氣密封通道結構，如圖4（a）所示，樹狀氣密封通道省略了連接到主軸后端的直通道。由圖4（a）可知，一個完整的樹狀氣密封通道結構由三個完全相同的樹狀通道構成，樹狀通道間夾角為120°。一個樹狀通道由進氣通道、出氣通道和樹狀通道組成。樹狀通道均勻的分布在主軸前大蓋外側， 進氣通道位于前大蓋殼體內(nèi)，出氣通道均勻分布在前大蓋殼體內(nèi)側最前端。帶氣道的前大蓋與前大蓋殼體配合關系如圖4（b）所示。

圖4 兩種氣密封通道結構Fig.4 Two kinds of gas sealed channel structure

將樹狀氣密封通道與主軸前端各部件的間隙結合，構建樹狀氣密封流場的完整結構如圖4（c）所示。 同時構建傳統(tǒng)氣密封流場作為對照組如圖4（d）所示。 樹狀氣密封通道的具體結構參數(shù)如表1 所示。

表1 樹狀氣密封通道結構參數(shù)Tab.1 Tree- shaped gas sealed channel structure parameters

2 數(shù)值計算

本文使用FLUENT，對樹狀氣密封流場和傳統(tǒng)氣密封流場中的密封氣體流動狀態(tài)進行瞬態(tài)分析。兩種氣密封流場均分為氣體區(qū)域、軸體區(qū)域和過渡區(qū)域。氣體區(qū)域和過渡區(qū)域的材料均設置為空氣；軸體區(qū)域材料設置為主軸軸體常用材料42 鉻鉬。求解時間選項設置為瞬態(tài)，軸體轉速為1000rad/s，數(shù)值計算結果收斂至1×10-6。 對兩種氣密封流場進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型分別選擇六面體、六面體核心和四面體。 仿真結果表明，瞬態(tài)流場分布狀態(tài)與網(wǎng)格類型無關，網(wǎng)格獨立性驗證成功。 考慮到網(wǎng)格質量、網(wǎng)格數(shù)量和運算速度等因素的影響，本文采用六面體核心網(wǎng)格。

3 實驗設置及結果討論

將所設計的樹狀氣密封通道應用在高速大切深花崗巖雕銑電主軸上， 并與應用了傳統(tǒng)氣密封通道的普通雕銑電主軸進行加工實驗對比。 在相同的加工時長和加工環(huán)境下，對比應用了兩種不同氣密封通道的石材雕銑電主軸前端銹蝕情況，如圖5 所示。 由圖可知，采用樹狀氣密封通道的電主軸前端只有輕微銹蝕，而采用傳統(tǒng)氣密封的電主軸前端銹蝕嚴重，如圖5（b）所示。

圖5 主軸前端銹蝕情況對比Fig.5 Corrosion situation of the spindle front part comparison

4 仿真結果討論

4.1 樹狀氣密封流場流體分布狀態(tài)

本文取三分之一的樹狀氣密封流場進行討論，圖6 為密封氣體在樹狀氣密封流場中流動狀態(tài)。 可以看出，密封氣體從進氣通道流入樹狀氣密封流場， 在流經(jīng)樹狀通道時，密封氣體經(jīng)過一次分流后均勻的作用在主軸軸體上。密封氣體繞過彈簧夾頭螺母在雕銑刀刀柄上形成湍渦，獲得了較高的流速，然后加速作用在雕銑刀刀尖上。絕大部分的密封氣體作用在主軸前端，只有一小部分通過迷宮密封間隙進入主軸內(nèi)部。

圖6 樹狀氣密封流場流體分布狀態(tài)Fig.6 Tree-shaped gas sealed flow field distribution state

4.2 傳統(tǒng)氣密封流場流體分布狀態(tài)

密封氣體在傳統(tǒng)氣密封流場中的分布狀態(tài)如圖7 所示。從圖中可以看出，密封氣體從通道入口流入軸體內(nèi)部以后，被前軸承組壓緊蓋和軸承擋圈擋住，主要作用在定轉子與前大蓋的間隙內(nèi)， 密封氣體在流場內(nèi)分布極其不均勻。大部分密封氣體穿過電機氣隙從主軸后端流出，只有極少的密封氣體能夠通過軸承間隙作用到迷宮密封處，從主軸前端流出。

圖7 傳統(tǒng)氣密封流場流體分布狀態(tài)Fig.7 Conventional gas sealed flow field distribution state

5 結論

本文提出了一種應用在主軸前大蓋上的樹狀氣密封通道，并進行仿真和實驗分析。 結果表明， 相比于傳統(tǒng)氣密封通道， 樹狀氣密封通道的氣體利用效率較高， 氣密封效果更好，能夠更有效的延緩主軸前端銹蝕。為石材雕銑電主軸的密封系統(tǒng)設計提供了一種可行性， 在提高石材雕銑電主軸可靠性，延長主軸壽命等方面具有廣泛的應用前景。