臥式車(chē)床主軸箱噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

藺用 張宏偉 黨波 郭宇飛

摘要：通過(guò)對(duì)臥式車(chē)床主軸箱潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行深度分析研究，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油流動(dòng)分散、潤(rùn)滑效率低。于是采用一種更加合理科學(xué)潤(rùn)滑方式改進(jìn)，以此來(lái)提高潤(rùn)滑效率。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模、油路規(guī)劃仿真、對(duì)管道內(nèi)潤(rùn)滑油流動(dòng)情況力學(xué)分析、現(xiàn)場(chǎng)管道布置和安裝調(diào)試等方法，把現(xiàn)有飛濺式潤(rùn)滑系統(tǒng)成功改為噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)改進(jìn)前后優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，體現(xiàn)出更高實(shí)用價(jià)值。改進(jìn)后經(jīng)過(guò)測(cè)試車(chē)床運(yùn)行更加穩(wěn)定，大幅降低運(yùn)行噪音，長(zhǎng)時(shí)間使用效果良好，充分證實(shí)這是一種更加高效、精準(zhǔn)的潤(rùn)滑方式。在提高工作效率同時(shí)延長(zhǎng)車(chē)床使用壽命，研究成果值得機(jī)床廠(chǎng)家推廣使用。

Abstract： Through in-depth analysis and Research on the lubrication system of horizontal lathe headstock， it is found that the flow of lubricating oil is dispersed and the lubrication efficiency is low. Therefore， a more reasonable and scientific lubrication method is adopted to improve the lubrication efficiency. By means of structural design and modeling， oil path planning simulation， mechanical analysis of lubricating oil flow in pipeline， on-site pipeline layout， installation and commissioning， the existing splash lubrication system was successfully changed into oil injection lubrication system. At the same time， the advantages and disadvantages before and after the improvement are analyzed and compared， reflecting higher practical value. After the improvement， the lathe runs more stable， greatly reduces the running noise， and has good effect after long-term use， which fully proves that this is a more efficient and accurate lubrication method. In order to improve the working efficiency and prolong the service life of lathe， the research results are worthy of promotion and use by machine tool manufacturers.

關(guān)鍵詞：臥式車(chē)床主軸箱;噴油式;潤(rùn)滑系統(tǒng);設(shè)計(jì)與研究;實(shí)踐

Key words： headstock of horizontal lathe;oil injection type;lubrication system;design and research;practice

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0026-03

0? 引言

機(jī)床是工業(yè)制造母機(jī)[1]，而車(chē)床加工是機(jī)械制造基礎(chǔ)，車(chē)床發(fā)展與制造對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著重要支撐。一臺(tái)車(chē)床運(yùn)行效率高低，主軸箱中潤(rùn)滑系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用。高效、精密、穩(wěn)定一直是我國(guó)車(chē)床發(fā)展永恒目標(biāo)。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件加工精度和加工機(jī)床要求越來(lái)越高，促使機(jī)械制造產(chǎn)品也加快更新?lián)Q代步伐。各車(chē)床廠(chǎng)家為適應(yīng)形勢(shì)多變的市場(chǎng)需求，使機(jī)床制造業(yè)正朝著智能、高效、穩(wěn)定、易維修的方向發(fā)展[2]。車(chē)床主軸箱處在傳動(dòng)系統(tǒng)最關(guān)鍵核心部位，其承載著主動(dòng)力傳遞和保證主軸運(yùn)行精度的重要作用，它的潤(rùn)滑效果直接決定了機(jī)床使用壽命。下面以車(chē)床加工中最常見(jiàn)臥式車(chē)床為例進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)研究。

1? 臥式車(chē)床主軸箱特點(diǎn)

臥式車(chē)床主軸箱一般采用整體鑄造式結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是剛性好，抗震性強(qiáng)，適合高速切削[3]。主軸箱主要作用是用來(lái)支承、固定主軸，將主電機(jī)傳遞來(lái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)齒輪變速得到需要轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)主軸箱速度轉(zhuǎn)換之后主軸可以實(shí)現(xiàn)不同速度正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，在帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)同時(shí)分出一部分動(dòng)力傳遞給進(jìn)給箱。主軸是車(chē)床運(yùn)行重要部件，其旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性直接決定零件加工質(zhì)量。車(chē)床主軸箱進(jìn)行潤(rùn)滑作用是減少摩擦振動(dòng)，降低運(yùn)行功耗，同時(shí)還要防止各傳動(dòng)部件由于高速旋轉(zhuǎn)致使箱內(nèi)升溫過(guò)快，因熱變形而損壞。

2? 傳統(tǒng)臥式車(chē)床主軸箱潤(rùn)滑方式

傳統(tǒng)臥式車(chē)床主軸箱潤(rùn)滑采用內(nèi)部飛濺潤(rùn)滑方式[4]。主要結(jié)構(gòu)包括注油孔、高位油窗、低位油窗、放油孔等。每次注油要打開(kāi)頂部箱蓋，有的為了方便注油，在頂部蓋板和密封板上留有注油孔，不但破壞了密封的完整性，還造成密封板無(wú)法發(fā)揮作用，在主軸高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)箱內(nèi)部件飛濺潤(rùn)滑時(shí)，很容易造成箱蓋頂部滲油。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

傳統(tǒng)臥式車(chē)床主軸箱潤(rùn)滑時(shí)油流動(dòng)角度比較分散，主軸箱內(nèi)各個(gè)部位都會(huì)被飛濺到，甚至不需要潤(rùn)滑的部位也會(huì)被潤(rùn)滑，因而需要油量比較大，是一種全覆蓋潤(rùn)滑方式。潤(rùn)滑過(guò)程全靠各個(gè)齒輪旋轉(zhuǎn)離心力來(lái)甩動(dòng)潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油在重力和離心力雙重作用下與各部件產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，因此噪音比較大。由于油粒甩出角度大且分布面廣，所以回流速度較慢。

3? 主軸箱噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)飛濺潤(rùn)滑方式不但潤(rùn)滑效率低還存在很多弊端，需要對(duì)這種潤(rùn)滑方式進(jìn)行改進(jìn)，以此來(lái)提高潤(rùn)滑效率。經(jīng)過(guò)分析研究，采用噴油管道潤(rùn)滑方式可以對(duì)主軸箱各個(gè)部件起到更好的潤(rùn)滑作用，同時(shí)還可以降低主軸箱噪音，使機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)，再配備導(dǎo)油管有針對(duì)性的導(dǎo)流，會(huì)使?jié)櫥Ч谩?/p>

3.1 主軸箱噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和3D建模，最終結(jié)構(gòu)效果如圖2所示。主軸箱側(cè)殼內(nèi)空間有限，油箱不宜占用過(guò)多空間，配備微型油泵即可。為防止飛濺不宜采用大流量和大揚(yáng)程油泵，油泵流量在3.0～5.0L/min，揚(yáng)程在1.5～3.0m范圍內(nèi)最合適。其次為主軸箱潤(rùn)滑系統(tǒng)配備小型油箱、微型油泵以及不同規(guī)格出油管、回油管、三通/五通等各類(lèi)管件連接件。

3.2 主軸箱噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)油路規(guī)劃

經(jīng)過(guò)油路設(shè)計(jì)與規(guī)劃，潤(rùn)滑油在管道流動(dòng)路線(xiàn)如圖 3 所示?？紤]到潤(rùn)滑系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜性，確定全部采用金屬油管進(jìn)行導(dǎo)流。對(duì)各個(gè)齒輪、軸承及滑移鍵部位進(jìn)行精準(zhǔn)全面潤(rùn)滑、冷卻、清洗。主軸箱所有回油都從底部出油口流回油箱，再經(jīng)過(guò)濾后循環(huán)使用。

3.3 潤(rùn)滑油流動(dòng)力學(xué)分析

潤(rùn)滑油在流動(dòng)過(guò)程中，各質(zhì)點(diǎn)完全沿著管道方向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不摻混、互不干擾的流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為層流。若流動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)不僅沿著管軸方向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，還伴有橫向擾動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間彼此混雜，流線(xiàn)雜亂無(wú)章，這種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為紊流。潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀態(tài)，在不同場(chǎng)合會(huì)有不同的利與弊[5]。紊流狀態(tài)時(shí)，由于分子間擾動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)增強(qiáng)散熱效果有利，但紊流狀態(tài)會(huì)增大流動(dòng)應(yīng)力而增加能量損失。紊流管道雷諾數(shù)Re>4000，層流管道雷諾數(shù)Re<2100。

潤(rùn)滑油管道流動(dòng)主要受到五個(gè)力影響（如圖4）：潤(rùn)滑油本身粘滯性及與管壁間摩擦而產(chǎn)生的沿程摩擦阻力Ff;油泵施加于潤(rùn)滑油本身流動(dòng)壓力FN;潤(rùn)滑油本身重力G;管道壁對(duì)其支撐力F1;潤(rùn)滑油對(duì)管道壁壓力F2。由于管道壁對(duì)其支撐力F1和潤(rùn)滑油對(duì)管道壁壓力F2兩個(gè)力大小相等且方向相反，可以互相抵消，所以：

F1-F2=0

若垂直方向合力為F′，水平方向合力為F″，則：

F′=FN×sinα+G-Ff×sinα=（FN-Ff）×sinα+G

F″=FN×cosα-Ff×cosα=（FN-Ff）×cosα

由于油泵施加給潤(rùn)滑油本身流動(dòng)壓力FN遠(yuǎn)大于摩擦阻力Ff，即：

FN-Ff>0

所以，得出：

F>0，F(xiàn)″>0

因此，潤(rùn)滑油在管道中流動(dòng)受F′和F″兩個(gè)合力影響做拋物線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

3.4影響管道潤(rùn)滑流速的因素

根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦力性質(zhì)，管道流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力大小它與接觸面積和相對(duì)速度差成正比，而與垂直距離成反比。大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)流體流經(jīng)一段管道時(shí)，在流量不變的條件下，流體的流速與管道截面面積成反比，截面面積越小，流速越大[6]。潤(rùn)滑油管道中內(nèi)摩擦力大小與其油品性質(zhì)有直接關(guān)系，如粘度等。

根據(jù)機(jī)床種類(lèi)、使用環(huán)境、及精度要求，對(duì)潤(rùn)滑油各項(xiàng)性能有不同要求。潤(rùn)滑油溫度和粘度成反比關(guān)系，溫度升高粘度下降，溫度降低粘度上升。但潤(rùn)滑油都有一定耐溫范圍，主軸箱噴油式潤(rùn)滑通常采用抗壓耐磨性粘度等級(jí)（按GB/T3141）為L(zhǎng)-HM 32/46/68牌號(hào)的普通潤(rùn)滑油就可以。

4? 實(shí)施過(guò)程及使用效果

經(jīng)過(guò)對(duì)箱體打孔、管道布置、潤(rùn)滑管道安裝調(diào)試之后，再進(jìn)行24小時(shí)不間斷運(yùn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)車(chē)床運(yùn)行很穩(wěn)定，傳動(dòng)部位潤(rùn)滑很全面，主軸箱運(yùn)行噪音大幅降低，改進(jìn)效果良好。充分證實(shí)這是一種更加高效、精準(zhǔn)潤(rùn)滑方式。管道噴油式潤(rùn)滑方式在提高車(chē)床工作效率同時(shí)減小傳動(dòng)部件磨損，延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命，還更加節(jié)省潤(rùn)滑油。

5? 改進(jìn)前后兩種潤(rùn)滑方式比較

改進(jìn)后噴油式潤(rùn)滑方式更先進(jìn)。主軸箱正面油窗采用可視化設(shè)計(jì)，可以直觀地看見(jiàn)油流動(dòng)狀態(tài)（如圖5）。采用可拆卸外置油箱、油泵，主軸箱側(cè)門(mén)打開(kāi)就可以給油箱注油，若有故障維修也很方便。

與傳統(tǒng)飛濺潤(rùn)滑方式相比較，管道噴油式潤(rùn)滑具有以下特點(diǎn)：需要的油量少;油體流動(dòng)速度快，回流及時(shí);可以有選擇性調(diào)節(jié)潤(rùn)滑部位;沖洗箱內(nèi)傳動(dòng)部件，通過(guò)回流將雜質(zhì)及時(shí)帶出箱外進(jìn)行過(guò)濾處理，使機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)，免去主軸傳動(dòng)部件定期保養(yǎng)清洗的步驟;油溫基本恒定不會(huì)大幅升高;各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)有針對(duì)性不做無(wú)用功;可以減小機(jī)床運(yùn)行噪音;油泵外置檢修方便;主軸箱蓋邊緣有回流孔，散油可以及時(shí)回收;可以安裝無(wú)孔的完整密封板防止?jié)B油。

管道噴油式潤(rùn)滑不足之處：車(chē)床主軸箱各部件在主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)變速機(jī)構(gòu)做各種速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，箱內(nèi)噪音只能減小，但還是無(wú)法完全消除;需要在主軸箱側(cè)面適當(dāng)位置開(kāi)孔作為油管進(jìn)出口，一定程度上會(huì)影響主軸箱完整性;改進(jìn)過(guò)程會(huì)增加一定經(jīng)濟(jì)成本，花費(fèi)約500～800元;油泵需要定期清洗過(guò)濾網(wǎng)。

6? 總結(jié)

車(chē)床作為復(fù)雜而精密的機(jī)械加工設(shè)備，主軸箱內(nèi)部會(huì)采用多種多樣的傳動(dòng)裝置，所以車(chē)床主軸箱潤(rùn)滑對(duì)車(chē)床運(yùn)行至關(guān)重要。臥式車(chē)床工作中主軸箱需要潤(rùn)滑的點(diǎn)多而復(fù)雜，而且需要不同部位同時(shí)進(jìn)行，因而適宜采用這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多點(diǎn)式、自動(dòng)式潤(rùn)滑方式。經(jīng)過(guò)對(duì)主軸箱潤(rùn)滑方式改進(jìn)后，該噴油式潤(rùn)滑系統(tǒng)將會(huì)利用電泵和噴油管進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)潤(rùn)滑，可以節(jié)省人力并保證潤(rùn)滑的精準(zhǔn)性、可靠性，也可以大幅延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)性[7]，這次改進(jìn)取得了圓滿(mǎn)成功。

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