高速CT機主軸承試驗技術研究

摘" 要：CT機主軸承作為CT機的機架與掃描部分之間的連接件，是CT機的關鍵零部件。隨著CT機的更新換代，對主軸承的要求也越來越高，新研發的高速CT機主軸承裝機使用前必須進行模擬試驗，以驗證軸承是否滿足用戶需求。為此，以某型號高速CT機主軸承為例，從軸承實際工作狀況出發，對主軸承工作轉速、偏轉角度、載荷等方面進行分析，設計制造一款專用的試驗平臺。對該型號軸承進行試驗，試驗的順利進行，既表明該軸承的設計制造達到預期目標，也證明該試驗方法的可行性。

關鍵詞：高速CT機；軸承；試驗機；加載；偏轉

中圖分類號：TH122" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0053-05

Abstract： The main bearing of the CT machine is the connection between the frame and the scanning part of the CT machine， and is a key component of the CT machine. With the upgrading of CT machines， the requirements for main bearings are becoming higher and higher. The newly developed main bearing of high-speed CT machines must be subjected to simulation tests before being installed into use to verify whether the bearings meet user needs. To this end， taking the main bearing of a certain model of high-speed CT machine as an example， based on the actual working conditions of the bearing， the working speed， deflection angle， load and other aspects of the main bearing were analyzed， and a special test platform was designed and manufactured. The test was carried out on this type of bearing， and the smooth progress of the test not only showed that the design and manufacturing of the bearing had achieved the expected goals， but also proved the feasibility of the test method.

Keywords： high-speed CT machine; bearing; testing machine; loading; deflection

自1974年喬治城大學的工程師羅伯特·萊德利設計了全身CT以來，CT設備和技術的發展非常迅速[1]。在醫療領域，醫用CT機主軸承是高端醫療設備部件，其工作條件及設備構造等條件的限制，致使對主軸承性能的要求十分高，韓向遠等[2]為測試CT機轉盤軸承在工作狀態下的各項性能指標，確保其穩定、可靠、安全的工作，開發了CT機轉盤軸承試驗機測試系統，通過報警系統、顯示和其他直觀化的輔助系統實現了對軸承的實時監測。苑鍇[3]從CT機軸承試驗要求入手，進行試驗機結構設計，剖析試驗機工作原理，所設計的CT機用轉盤軸承試驗機為試驗提供了必要條件。

軸承試驗指在試驗設備上模擬軸承工況對軸承進行測試、考核、驗證及分析[4]，試驗是軸承研發過程中的重要一環，對航空航天、船舶、高鐵和醫療等領域用高端軸承研發水平提升至關重要，對掌握產品的真實數據、提高產品影響力意義重大[5]，所以性能試驗和疲勞壽命試驗是新研制的高速CT機主軸承出廠裝機前的必測項目。為此本文以某型號高速CT機主軸承為對象，從載荷、轉速、偏轉和潤滑等方面分析軸承實際工況，研制一臺高速CT機主軸承綜合性能試驗機，利用該試驗機從全方面模擬軸承實際工作條件，對軸承進行試驗，驗證軸承的性能和試驗方法的可行性。

1" 高速CT機主軸承簡介

CT機主軸承作為CT機旋轉掃描部分的關鍵部件，應用于固定的CT機架和旋轉掃描部分之間的連接部位，用于傳遞和承受X線管、準直儀、探測器和滑環等裝置重力產生的載荷，需滿足CT機高轉速、低噪聲、高精度、低振動和長壽命等使用要求[6]。

某型號高速CT機主軸承工作狀態如圖1所示，該軸承內圈通過安裝邊安裝在機架上，外圈連接旋轉掃描部件。CT機工作時，主軸承中心軸線或呈水平狀態，如圖1（a）所示，或偏轉一定角度α，如圖1（b）所示。主軸承所承載的旋轉部件的重心位于主軸承中心軸線上，并且距離軸承回轉基面具有一定距離l。由于重力G的方向始終豎直向下，所以當主軸承軸線水平時，旋轉部件的重力G對軸承產生徑向載荷Fr1和傾覆力矩M1；當軸承偏轉一定角度α時，旋轉部件的重力G對軸承產生徑向載荷Fr2、軸向載荷Fa2和傾覆力矩M2。

某型號高速CT機主軸承相關參數見表1。

2" 研制軸承試驗機

2.1" 試驗機要求

需要根據CT機實際工作狀況，研制一款高速CT機主軸承綜合性能試驗機，來模擬高速CT機主軸承實際工況，對新研制的軸承進行試驗。該試驗機需要滿足以下要求：①試驗軸承尺寸范圍足夠廣，需要滿足不同型號CT機主軸承的試驗要求；②轉速要足夠高，需要達到新一代高速CT機的轉速要求；③需要有偏轉結構來實現CT機實際工作中的0～30°的偏轉狀態；④需要設計一套加載裝置模擬重力載荷。

2.2" 試驗機總體設計

根據要求，所研制的高速CT機主軸承綜合性能試驗機主機結構由試驗臺架、驅動裝置、偏轉裝置、加載裝置和調整裝置等部分組成，試驗機主體結構如圖2、圖3所示。

其中，試驗臺架是基礎，滿足其他裝置的安裝需求；驅動裝置是動力源，滿足軸承轉速要求；偏轉裝置調節軸承傾斜角度，可以模擬CT機偏轉狀態；加載裝置為試驗軸承提供載荷；調整裝置在改變偏轉角度時調整載荷方向，使載荷方向與重力方向保持一致。

2.3" 驅動裝置設計

行業內常用的軸承試驗機驅動方式有變頻電機驅動、伺服電機驅動、電主軸驅動和液壓驅動[7]。針對高速CT機主軸承0～300 r/min的高轉速工況要求，本試驗機選用主軸伺服電機驅動，伺服驅動器調節轉速。伺服電機具有低頻特性好、速度響應快、控制精度高和過載能力強等優點[8-9]。

電機規格計算如下。

1）軸承摩擦力矩計算：軸承是軸系摩擦力矩產生的主要環節，摩擦力矩阻礙著軸系的旋轉[10]，此處選用簡易的滾動軸承摩擦力矩計算公式進行計算。

M1=0.5 μFd ，" " " " " （1）

式中：M1為軸承摩擦力矩，N·mm；μ為軸承摩擦系數，試驗軸承摩擦系數取0.002 4，陪試軸承摩擦系數取0.001 8；F為軸承的載荷，N；d為軸承的內徑，mm。

將試驗軸承和陪試軸承各參數分別代入公式（1）進行計算，求得2種軸承總摩擦力矩為37.5 N·m。

2）主軸及軸承端蓋等旋轉部件轉動慣量力矩計算公式為

M2=Iβ ，" " （2）

式中：M2為轉動慣量力矩，N·m；I為轉動慣量，kg·m2；β為角加速度，rad/s2。

將主軸及軸承端蓋等旋轉部件各參數代入公式（2）進行計算，求得轉動慣量力矩為13 N·m。

3）總力矩計算：將軸承摩擦力矩和旋轉部件轉動慣量力矩相加，求得總力矩M總=50.5 N·m。

電主軸功率計算公式為

P= ， （3）

P0= ， （4）

式中：P為驅動功率，kW；M為總力矩M總，N·m；n為試驗轉速，r/min；P0為電主軸功率，kW；η為電主軸效率，取0.8。

將各參數代入公式（3）、（4），求得所需的電主軸功率P0=1.6 kW。

根據計算結果，同時預留一定的空間，最終選用額定功率7.5 kW，額定扭矩143 N·m，額定轉速500 r/min的電機。

將驅動電機通過電機安裝板與軸承安裝座相連接，軸承安裝座通過支撐軸系安裝在試驗臺架上。電機輸出端通過聯軸器連接試驗主軸、軸承端蓋及軸承外圈，最終實現試驗軸承內圈固定，外圈旋轉。

2.4" 偏轉裝置設計

根據試驗要求，要對軸承進行0～30°傾斜狀態下的加載運轉試驗，所以本試驗機需要有一套偏轉裝置，偏轉功能主要由試驗軸承兩側的電動缸實現。偏轉電缸下端安裝在試驗臺架上，電缸上端與支撐軸系的支架相連接，支架安裝在軸承安裝座上，支架呈“L”型。工作中，當需要改變試驗軸承偏轉角度時，調整兩側偏轉電缸活塞桿的伸縮量，驅動“L”型的支架繞支撐軸系轉動，最終可帶動試驗軸承改變偏轉角度。

2.5" 加載裝置設計

針對高速CT機的低噪音、載荷復雜多變的服役環境，傳統的液壓加載和配重塊加載方法都不能同時滿足低噪音和交變載荷的試驗要求。所以，本試驗方法提出基于PLC控制的伺服電動缸加載方法。伺服電動缸具有結構緊湊、互換性好、控制精度高、響應速度快以及可靠性強的優點[11-12]，PLC可看作是微型計算機，在工業控制方面有著廣泛的應用[13]，PLC控制伺服電動缸施加交變載荷，通過拉壓力傳感器反饋形成加載的閉環控制，從而提高加載精度，滿足高速CT機主軸承的試驗加載要求。

通過分析高速CT機的實際工況，主軸承的載荷是由距離軸承回轉基面一定距離l的重力所產生的，所以，加載電缸安裝位置距離試驗軸承回轉中心的距離為l。由于重力方向始終豎直向下，所以要有一套調整裝置來調整加載電缸的位置，使加載電缸的方向始終保持豎直。

2.6" 調整裝置設計

由于本試驗所加載荷是模擬重力，所以拉力方向需要始終豎直向下，考慮到試驗中需要在不同偏轉角度下對軸承進行試驗，當軸承偏轉一個角度后，加載電缸也會變得傾斜，拉力不在豎直方向上，需要調整加載電缸的位置，使之再次豎直，所以設計了一套調整裝置。

將加載電缸下端安裝在加載電缸座上，加載電缸座安裝在試驗臺架的“T”型導軌中，絲桿頭部安裝在試驗臺架上，尾部螺紋旋入加載電缸座。每當調整試驗軸承偏轉角度時，通過旋轉絲桿，在螺紋的作用下，加載電缸座沿“T”型導軌進行直線移動，從而調整加載電缸的角度，使加載電缸保持豎直。

2.7" 測控系統設計

該試驗機的測控系統分為電氣控制部分和數據采集部分。電氣控制系統主要對驅動裝置、加載裝置及偏轉裝置等進行控制，通過PLC與伺服驅動器的Profinet通信，進而控制電機速度大小，通過PLC控制伺服電機，帶動伺服電動缸控制載荷大小及偏轉角度。數據采集系統主要完成參數設置、數據采集、存儲和顯示等功能，對測試系統中載荷、軸承轉速、溫度、電機電流、軸承振動和噪聲等數據進行采集，在觸摸屏上進行參數設置，并實現實時顯示。

3" 軸承試驗

3.1" 試驗軸承安裝

試驗軸承的內圈和外圈分別通過螺釘組安裝在試驗機的軸承安裝座和軸承端蓋上。螺釘安裝時，由于螺紋牙的特殊結構和各螺釘間的相互彈性作用，后擰緊的螺釘對先擰緊螺釘中的預緊力會產生一定影響， 不同的擰緊順序所產生的連接質量也不相同[14]。呈環形分布螺栓組按對角順序擰緊時，螺栓間的彈性相互作用最弱，殘余預緊力和面壓分布最均勻，擰緊效果最好[15]，不僅能使各個螺釘受力均勻，而且能使被連接件更好的貼合[16]。此處螺釘的安裝采用逐步預緊法，試驗軸承緊固相關參數見表2，緊固順序采用圖4所示的“米”字形緊固法，預緊過程中并適當旋轉軸承，避免出現軸承啟動摩擦力矩顯著增大的現象。

3.2" 進行軸承試驗

軸承安裝完畢后，對該型號CT機主軸承進行試驗，圖5為試驗現場照片。

表3為該型號軸承試驗項目的其中一段試驗載荷譜，該階段試驗采用逐步加速達到最大轉速，單次循環時間30 min，偏轉角度為0°。

開始試驗，試驗機控制系統控制試驗軸承的轉速和載荷，采集系統采集試驗機實時的電流、轉速、載荷以及試驗軸承溫度、振動、噪聲等數據。圖6、圖7為某次試驗開機后一段時間內軸承溫度和振動的相關數據。

通過數據可知，試驗開始后軸承溫度開始升高，最高溫度達到42 ℃，試驗室溫22 ℃，最大溫升數值在設計范圍30 ℃之內，振動數值較低且平穩，該試驗階段軸承順利通過測試。

4" 結論

通過試驗的順利進行，不僅證明了該型號軸承設計及制造滿足用戶需求，而且也驗證了該試驗方法的可行性。高速CT機主軸承屬于高端醫療軸承，目前市面上應用的主要是進口軸承。通過對高速CT機主軸承試驗技術的研究，為軸承的研制及優化工作提供了參考，將推動CT機主軸承在各項技術上取得突破，打破國外在高端醫療軸承領域的技術壟斷，早日實現高端軸承國產化。

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