高速電主軸油氣潤滑參數優化系統及平臺設計

張文亮，艾力夏提·依力哈木，謝小鵬，高國剛

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641；2.寶騰智能潤滑技術(東莞)有限公司，廣東東莞 523000)

機床高速加工過程中，高速主軸內置的電機與軸承都將產生大量的熱，由于其內部裝配精度高且材料強度和熱膨脹系數不同，引起內部結構之間的熱形變誤差[1-3]。研究表明，電主軸軸承的熱誤差是導致機床精度降低的主要因素[4]。所以針對高速電主軸軸承潤滑冷卻的研究非常重要。油氣潤滑是高速電主軸最有效的冷卻潤滑技術，但是油氣潤滑的應用，應針對不同的工況設定準確的應用參數[5-6]。然而，電主軸軸承缺乏確定的油氣潤滑參數和高昂的引進技術費用，是限制國內油氣潤滑技術應用的主要原因。

為將油氣潤滑技術應用于高速機床，就必須對其進行大量的參數優化實驗[7]。因此搭建適用于油氣潤滑參數優化的實驗平臺，同時設計優化油氣潤滑系統，并設計開發其關鍵部件，是該領域開展研究的首要。YAN等[8]搭建了測量高速軸承運行噪聲的試驗平臺，研究了預緊力、軸承轉速和潤滑油供應量對軸承噪聲的影響。LIU等[9]搭建了研究電主軸熱阻問題的試驗平臺，通過對溫度的采集，分析電主軸系統的熱變形。王明威[10]研制了針對電主軸軸承的溫度、振動以及回轉精度等參數的測試平臺。何強等人[11]基于Labview設計了一套可以對主軸的溫度、振動等信號進行實時采集和處理的系統。

上述研究多是針對電主軸的性能進行測控，缺少針對高速電主軸在改變載荷、轉速、潤滑狀態等工況時的最佳油氣潤滑參數的試驗平臺。因此，本文作者搭建了可模擬電主軸真實工況并能實時監測其運行狀態的試驗平臺，設計一套油氣潤滑系統并對其關鍵部件油氣混合分配器進行了研究。

1 試驗平臺的搭建

高速電主軸是設計和裝配精度要求較高的裝置[12]，在設計油氣潤滑高速電主軸試驗平臺時不僅需要達到電主軸機械結構的精度要求，而且試驗主軸需要完全模擬電主軸運行工況，以達到滿足優化電主軸軸承的冷卻潤滑條件。圖1所示為試驗平臺的整體設計方案，圖2所示為試驗平臺結構。試驗平臺主要由試驗軸、動力電主軸、液壓加載系統、油氣潤滑系統、冷卻系統、電氣測控系統、計算機監控系統組成。采用JM6081一體化接觸式溫度傳感器測量試驗軸內置軸承的外圈溫度，利用A/V短小型系列紅外測溫儀測量與軸承內圈連接的試驗主軸轉軸溫度，采用CZ600電渦流位移傳感器測量轉軸由于高溫產生的熱位移；試驗軸的振動信號經壓電式加速度傳感器測得后，傳送給振動加速度變送器實現振動監測。最后通過數據采集卡實現了包括溫度、位移、振動、電流等信號的采集，采集的信號通過計算機實時顯示、分析和處理。

圖1 試驗平臺設計

圖2 試驗平臺結構

主軸系統主要包括電主軸和試驗軸，電主軸為試驗提供動力，試驗軸一端與電主軸相連，另一端裝配有加載裝置。試驗軸的基本結構采用一套電主軸殼體，四套被試軸承按照電主軸的結構形式布置。液壓加載系統主要功能是實現對試驗軸承的徑向和軸向加載，加載裝置由軸承連接，軸向力和徑向力通過加載軸承作用于試驗軸的轉軸上，實現電主軸運行工況的模擬。采用薄膜式油缸對軸承施加工作載荷，并通過傳感器實時監控載荷并通過主機控制。冷卻系統是通過控制水泵實現試驗機內部冷卻水的循環。電氣測控系統是以工業控制計算機為核心，由電氣設備控制單元、電氣操作控制單元、變頻調速單元、加載控制單元、自動報警單元等組成。

根據試驗臺工作要求，為更好地實現人機信息互動，開發了一套監測系統軟件，實現了溫度、振動、電流和熱位移的實時顯示，如圖3所示。界面左邊為采集模塊實時采集的溫度、振動、電流和熱位移等變化趨勢，界面右邊顯示傳感器實時監測對象的狀態。試驗平臺自動對每一次試驗數據進行編號，便于對數據的二次分析。

圖3 軟件界面設計

2 油氣潤滑系統及關鍵元件設計

2.1 油氣潤滑系統工作原理

油氣潤滑與其他潤滑方式相比，其優勢是具有油和氣兩相，潤滑的效果也是油和氣共同作用[13-14]。圖4示出了油氣潤滑系統的工作原理。目前常用的油氣潤滑系統主要包括供油及油量分配部分、供氣部分、油氣混合部分、油氣分配及輸送部分。在油氣潤滑系統中，油氣混合器和油氣分配器是實現油氣潤滑的核心部件[15]，兩者需要精密裝配和準確配合；而且其內部構件穩定性不強，構件之間易磨損失效，壽命很難準確確定，對高速運轉的機床電主軸存在較大的安全隱患。為此，文中將油氣混合器和油氣分配器組合起來，設計了一種兼具油氣混合器和油氣分配器功能的油氣混合分配器。

圖4 油氣潤滑系統工作原理

2.2 油氣混合分配器的設計

設計的油氣混合器結構如圖5所示，經過加壓的潤滑油由油泵從油入口7輸入，經過油路單向閥6到達定量閥5；由于油液壓力，定量閥內的彈簧被壓縮，油液存儲到定量閥腔體，當油泵停機油液泄壓，定量閥內的彈簧復位將定量閥腔體內的潤滑油通過定量閥中間芯軸孔排出；在此過程中油路單向閥6由于彈簧給予油液的壓力向上運動封閉油入口，同時打開定量閥中間管口，定量的潤滑油排出與高壓氣體混合。設計的油壓螺塞1和空氣調節螺栓8可以對油氣出口的油量和氣量進行調節。同時油氣混合分配器可以設計多組定量閥組，每組接通一條油氣潤滑支路，不僅可以實現潤滑油的定量供給，而且各閥組之間相互獨立，增加了可靠性。根據其工作原理，定量閥彈簧是油氣混合分配器易損部件，其使用壽命直接決定了整個油氣潤滑系統的穩定性和可靠性。

圖5 油氣混合分配器結構原理

定量閥采用O形圈密封。經過實際測定，對于靜密封用的O形圈，壓縮率設定為25%～35%，對于動密封用的O形圈，壓縮率設定為15%～25%。在此基礎上，對定量閥中的彈簧進行設計。圓柱螺旋壓縮彈簧設計計算[16-17]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τ為切應力；τp為許用切應力；F為彈簧的工作載荷；f為工作載荷下的變形量；k為彈簧剛度；U為彈簧變形能；d為簧絲直徑；D為彈簧中徑；C為旋繞比，C=D/d；K為曲度系數，K=(4C-1)∕(4C-4)+0.615/C；n為彈簧的有效圈數；G為切變模量。

定量閥進油前，彈簧在預壓縮量f1時的彈性力F1必須滿足：

F1>Fd+fk

(5)

定量閥進油時，彈簧壓縮量為f2，此時的彈性力F2應滿足：

Fo=pπr′2-fk>F2>Fd+fs

(6)

式中：Fd為單向閥的預緊力；fk為O形圈的動摩擦力；Fo為油壓對閥芯的推力；p為油壓力；fs為O形圈的靜摩擦力；r′為套筒內徑。

經過測試，單向閥的預緊力Fd為1.9 N，O形圈的動摩擦力為1.2 N，O形圈的靜摩擦力為2.5 N。由k=F1/f1=F2/f2可以得出彈簧剛度k的取值范圍。

選定材料后，查得許用切應力τp=930 MPa，選擇旋繞比C=6，根據式(7)(8)計算得彈簧參數如表1所示。

(7)

表1 彈簧設計結果

(8)

2.3 油氣潤滑系統組成

基于設計的油氣混合分配器，設計了一種新的油氣潤滑系統，如圖6所示。其工作原理是：油泵將潤滑油泵入油過濾器凈化，經油壓調壓閥調節油壓后輸入油氣混合分配器；同時氣體經過過濾器和干燥器過濾和干燥后，輸入油氣混合分配器；油和氣在油氣混合分配器中充分混合后，進入不同的油氣潤滑支路。在油氣潤滑系統油氣輸送管末端安裝有油氣檢測器，以實時監測輸送管內油氣流量，從而保證高速電主軸高速運轉過程中可以持續得到潤滑。

3 試驗驗證

3.1 試驗設計

首先對設計的油氣混合分配器樣機進行穩定性和使用壽命分析。設計的樣機有4個出油口，單次供油量為0.03 mL，設置油泵壓力為2.5 MPa，試驗頻率為1 h供油100次，統計不同樣機各出油口的油量。然后將油氣混合分配器組裝油氣潤滑系統并應用于搭建的實驗平臺上，驗證系統的運行狀況。試驗軸內置軸承選用ZYS生產的7006C角接觸球軸承，選用內徑為4 mm的軟管作為油氣輸送管道。試驗參數為：氣壓0.25 MPa，給油量0.3 mL/h，軸向加載力5 N，徑向力20 N。

3.2 油氣混合分配器供油穩定性與壽命分析

為了驗證設計的油氣混合分配器的供油穩定性，隨機選取7個樣機進行各油氣出口供油量試驗。試驗頻率為1 h油泵供油100次，不同樣機各出口的供油量如圖7所示。其中，樣機1～4每次供油的時間為5 s，樣機5～7每次供油的時間為10 s。對比發現，樣機各個油氣出口的供油量差異不大，因此當潤滑泵供油時間為5 s時，已實現油氣混合分配器中定量閥的滿油供給。

圖7 油氣混合分配器出口供油量

從圖7中可看出，不同樣機的各個油氣出口的供油量有一定的差異，這是油氣混合分配器構件的裝配誤差以及加工誤差導致的。但是各樣機的各油氣出口的供油量差異不大，其誤差范圍控制在-10%～0內，滿足潤滑油供油裝置誤差在±10%范圍內的行業標準。且相較由油氣混合器和分配器裝配而成的裝置，文中設計的油氣混合分配器的誤差范圍更小，定量供油更加精準。

隨機抽取4個油氣混合分配器樣機進行使用壽命試驗，試驗時每小時油泵向樣機供油100次，按各時段各樣機4個油氣出口1 h排出油量的平均值進行統計，結果如圖8所示。

圖8 油氣混合分配器使用壽命分析

在試驗時間0～200 h，各樣機的平均供油量都有減小的趨勢，這是因為定量閥的彈簧在工作初始產生了一定的塑性變形，不能完全復位；在試驗時間200～1 200 h，各樣機的平均供油量基本保持不變；當試驗時間超過1 200 h時，樣機2、3、4的平均供油量出現急劇下降的趨勢，且不同樣機不同時段的油量變動較大，這是因為定量閥內置彈簧經過長期反復伸縮導致疲勞失效，不能將潤滑油足量排出。樣機1在試驗時間為1 200 h，供油量突然變大，這是因為定量閥中密封圈或單向閥磨損失效，導致分配器無法有效控油，隨著時間延長和油壓作用，構件磨損加劇使油路阻塞。因此，樣機對潤滑油的持續穩定供給時間為1 200 h，即設計的油氣混合分配器的使用壽命為供油1.2×105次。

3.3 試驗平臺試驗驗證

在搭建的試驗平臺上進行了高速電主軸試驗，對試驗軸振動、溫度、電流等參數進行實時測量。

圖9(a)所示為試驗平臺的試驗軸振動和轉速隨時間變化曲線。可知在轉速30 000 r/min以下，試驗軸承運行穩定；當電主軸運行到480 s，轉速達到30 000 r/min時試驗軸承振動急劇增加；而當電主軸運行到600 s，轉速穩定在40 000 r/min后，振動開始迅速減小。這表明試驗軸承在轉速30 000～40 000 r/min之間產生了共振，此時電主軸的工作轉速對應的頻率與試驗軸承固有頻率重合。

圖9 基于試驗平臺的振動、溫度、電流測量結果

圖9(b)所示為試驗軸轉軸和軸承外圈溫度隨轉速和時間的變化曲線。可見隨著運行時間和轉速的增加，轉軸溫度升高相對緩慢。其中在轉速30 000 r/min以下軸承溫度增升高緩慢；當電主軸轉速達到30 000 r/min后，軸承溫度快速升高；在轉速達到40 000 r/min后，軸承溫度變化再次趨于平緩，這與圖9(a)所示的轉軸振動隨轉速和時間變化節點相同，這是因為共振作用加大了軸承的摩擦損耗，造成溫度的升高。從圖9(b)可知，在該試驗機的最佳轉速0～30 000 r/min范圍內，轉軸溫升較小，為8～12 ℃；轉速為50 000 r/min時轉軸溫升也僅為30～34 ℃。可見，設計的油氣潤滑系統能有效地降低轉軸的溫升。

圖9(c)所示為電流隨轉速和時間的變化曲線。可以發現高速電主軸在轉速穩定上升時電流也相對穩定升高；在提速的過程中，電流會快速升高，當在共振區間時電流量升高較大，達到6.8 A。電主軸共振時會產生極大的噪聲，影響正常運行，急劇縮短使用壽命，嚴重時甚至會永久性地破壞機械結構。為了保證試驗主軸運轉試驗的可靠性，并避免試驗機因共振損傷，該試驗機的最佳轉速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機床主軸的轉速要求。

綜上所述，文中搭建的試驗平臺運行穩定，能實時監測試驗軸溫度、振動、電流等參數，對高速軸承在油氣潤滑條件下的研究提供了技術支持。

4 結論

(1)搭建的油氣潤滑高速電主軸軸承試驗平臺，具有實時監測試驗軸溫度、振動、電流、速度等參數的功能。

(2)對油氣潤滑系的關鍵部件進行創新設計，設計了油氣混合分配器，并對其內置彈簧進行理論計算和選型。新設計的油氣混合分配器具有結構簡單、功能穩定的優點，供油誤差滿足±10%的行業標準，使用壽命穩定在1.2×105次。

(3)在搭建的試驗平臺上進行高速電主軸的油氣潤滑試驗，結果表明，該試驗機的最佳轉速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機床主軸試驗的轉速要求。