張文亮，艾力夏提·依力哈木，謝小鵬，高國剛

(1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641；2.寶騰智能潤滑技術(shù)(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(nèi)置的電機與軸承都將產(chǎn)生大量的熱，由于其內(nèi)部裝配精度高且材料強度和熱膨脹系數(shù)不同，引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shù)，但是油氣潤滑的應(yīng)用，應(yīng)針對不同的工況設(shè)定準(zhǔn)確的應(yīng)用參數(shù)[5-6]。然而，電主軸軸承缺乏確定的油氣潤滑參數(shù)和高昂的引進技術(shù)費用，是限制國內(nèi)油氣潤滑技術(shù)應(yīng)用的主要原因。

為將油氣潤滑技術(shù)應(yīng)用于高速機床，就必須對其進行大量的參數(shù)優(yōu)化實驗[7]。因此搭建適用于油氣潤滑參數(shù)優(yōu)化的實驗平臺，同時設(shè)計優(yōu)化油氣潤滑系統(tǒng)，并設(shè)計開發(fā)其關(guān)鍵部件，是該領(lǐng)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(yù)緊力、軸承轉(zhuǎn)速和潤滑油供應(yīng)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(tǒng)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(zhuǎn)精度等參數(shù)的測試平臺。何強等人[11]基于Labview設(shè)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(tǒng)。

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(zhuǎn)速、潤滑狀態(tài)等工況時的最佳油氣潤滑參數(shù)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(jiān)測其運行狀態(tài)的試驗平臺，設(shè)計一套油氣潤滑系統(tǒng)并對其關(guān)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(shè)計和裝配精度要求較高的裝置[12]，在設(shè)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(shè)計方案，圖2所示為試驗平臺結(jié)構(gòu)。試驗平臺主要由試驗軸、動力電主軸、液壓加載系統(tǒng)、油氣潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)組成。采用JM6081一體化接觸式溫度傳感器測量試驗軸內(nèi)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(nèi)圈連接的試驗主軸轉(zhuǎn)軸溫度，采用CZ600電渦流位移傳感器測量轉(zhuǎn)軸由于高溫產(chǎn)生的熱位移；試驗軸的振動信號經(jīng)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(xiàn)振動監(jiān)測。最后通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)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(shè)計

圖2 試驗平臺結(jié)構(gòu)

主軸系統(tǒng)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(jié)構(gòu)采用一套電主軸殼體，四套被試軸承按照電主軸的結(jié)構(gòu)形式布置。液壓加載系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)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(zhuǎn)軸上，實現(xiàn)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(jiān)控載荷并通過主機控制。冷卻系統(tǒng)是通過控制水泵實現(xiàn)試驗機內(nèi)部冷卻水的循環(huán)。電氣測控系統(tǒng)是以工業(yè)控制計算機為核心，由電氣設(shè)備控制單元、電氣操作控制單元、變頻調(diào)速單元、加載控制單元、自動報警單元等組成。

根據(jù)試驗臺工作要求，為更好地實現(xiàn)人機信息互動，開發(fā)了一套監(jiān)測系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)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(jiān)測對象的狀態(tài)。試驗平臺自動對每一次試驗數(shù)據(jù)進行編號，便于對數(shù)據(jù)的二次分析。

圖3 軟件界面設(shè)計

2 油氣潤滑系統(tǒng)及關(guān)鍵元件設(shè)計

2.1 油氣潤滑系統(tǒng)工作原理

油氣潤滑與其他潤滑方式相比，其優(yōu)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(tǒng)的工作原理。目前常用的油氣潤滑系統(tǒng)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(tǒng)中，油氣混合器和油氣分配器是實現(xiàn)油氣潤滑的核心部件[15]，兩者需要精密裝配和準(zhǔn)確配合；而且其內(nèi)部構(gòu)件穩(wěn)定性不強，構(gòu)件之間易磨損失效，壽命很難準(zhǔn)確確定，對高速運轉(zhuǎn)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(shè)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(tǒng)工作原理

2.2 油氣混合分配器的設(shè)計

設(shè)計的油氣混合器結(jié)構(gòu)如圖5所示，經(jīng)過加壓的潤滑油由油泵從油入口7輸入，經(jīng)過油路單向閥6到達定量閥5；由于油液壓力，定量閥內(nèi)的彈簧被壓縮，油液存儲到定量閥腔體，當(dāng)油泵停機油液泄壓，定量閥內(nèi)的彈簧復(fù)位將定量閥腔體內(nèi)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(shè)計的油壓螺塞1和空氣調(diào)節(jié)螺栓8可以對油氣出口的油量和氣量進行調(diào)節(jié)。同時油氣混合分配器可以設(shè)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(xiàn)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(jù)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(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 油氣混合分配器結(jié)構(gòu)原理

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

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τ為切應(yīng)力；τp為許用切應(yīng)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(shù)，K=(4C-1)∕(4C-4)+0.615/C；n為彈簧的有效圈數(shù)；G為切變模量。

定量閥進油前，彈簧在預(yù)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(yīng)滿足：

Fo=pπr′2-fk>F2>Fd+fs

(6)

式中：Fd為單向閥的預(yù)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(nèi)徑。

經(jīng)過測試，單向閥的預(yù)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(yīng)力τp=930 MPa，選擇旋繞比C=6，根據(jù)式(7)(8)計算得彈簧參數(shù)如表1所示。

(7)

表1 彈簧設(shè)計結(jié)果

(8)

2.3 油氣潤滑系統(tǒng)組成

基于設(shè)計的油氣混合分配器，設(shè)計了一種新的油氣潤滑系統(tǒng)，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(jīng)油壓調(diào)壓閥調(diào)節(jié)油壓后輸入油氣混合分配器；同時氣體經(jīng)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(tǒng)油氣輸送管末端安裝有油氣檢測器，以實時監(jiān)測輸送管內(nèi)油氣流量，從而保證高速電主軸高速運轉(zhuǎn)過程中可以持續(xù)得到潤滑。

3 試驗驗證

3.1 試驗設(shè)計

首先對設(shè)計的油氣混合分配器樣機進行穩(wěn)定性和使用壽命分析。設(shè)計的樣機有4個出油口，單次供油量為0.03 mL，設(shè)置油泵壓力為2.5 MPa，試驗頻率為1 h供油100次，統(tǒng)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(tǒng)并應(yīng)用于搭建的實驗平臺上，驗證系統(tǒng)的運行狀況。試驗軸內(nèi)置軸承選用ZYS生產(chǎn)的7006C角接觸球軸承，選用內(nèi)徑為4 mm的軟管作為油氣輸送管道。試驗參數(shù)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(wěn)定性與壽命分析

為了驗證設(shè)計的油氣混合分配器的供油穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，樣機各個油氣出口的供油量差異不大，因此當(dāng)潤滑泵供油時間為5 s時，已實現(xiàn)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(gòu)件的裝配誤差以及加工誤差導(dǎo)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(nèi)，滿足潤滑油供油裝置誤差在±10%范圍內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。且相較由油氣混合器和分配器裝配而成的裝置，文中設(shè)計的油氣混合分配器的誤差范圍更小，定量供油更加精準(zhǔn)。

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(tǒng)計，結(jié)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(chǎn)生了一定的塑性變形，不能完全復(fù)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(dāng)試驗時間超過1 200 h時，樣機2、3、4的平均供油量出現(xiàn)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(nèi)置彈簧經(jīng)過長期反復(fù)伸縮導(dǎo)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(dǎo)致分配器無法有效控油，隨著時間延長和油壓作用，構(gòu)件磨損加劇使油路阻塞。因此，樣機對潤滑油的持續(xù)穩(wěn)定供給時間為1 200 h，即設(shè)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(shù)進行實時測量。

圖9(a)所示為試驗平臺的試驗軸振動和轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線?？芍谵D(zhuǎn)速30 000 r/min以下，試驗軸承運行穩(wěn)定；當(dāng)電主軸運行到480 s，轉(zhuǎn)速達到30 000 r/min時試驗軸承振動急劇增加；而當(dāng)電主軸運行到600 s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在40 000 r/min后，振動開始迅速減小。這表明試驗軸承在轉(zhuǎn)速30 000～40 000 r/min之間產(chǎn)生了共振，此時電主軸的工作轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(jié)果

圖9(b)所示為試驗軸轉(zhuǎn)軸和軸承外圈溫度隨轉(zhuǎn)速和時間的變化曲線。可見隨著運行時間和轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)軸溫度升高相對緩慢。其中在轉(zhuǎn)速30 000 r/min以下軸承溫度增升高緩慢；當(dāng)電主軸轉(zhuǎn)速達到30 000 r/min后，軸承溫度快速升高；在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸振動隨轉(zhuǎn)速和時間變化節(jié)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(zhuǎn)速0～30 000 r/min范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)軸溫升較小，為8～12 ℃；轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時轉(zhuǎn)軸溫升也僅為30～34 ℃?？梢姡O(shè)計的油氣潤滑系統(tǒng)能有效地降低轉(zhuǎn)軸的溫升。

圖9(c)所示為電流隨轉(zhuǎn)速和時間的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)高速電主軸在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定上升時電流也相對穩(wěn)定升高；在提速的過程中，電流會快速升高，當(dāng)在共振區(qū)間時電流量升高較大，達到6.8 A。電主軸共振時會產(chǎn)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?xí)谰眯缘仄茐臋C械結(jié)構(gòu)。為了保證試驗主軸運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機床主軸的轉(zhuǎn)速要求。

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

4 結(jié)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(jiān)測試驗軸溫度、振動、電流、速度等參數(shù)的功能。

(2)對油氣潤滑系的關(guān)鍵部件進行創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)計了油氣混合分配器，并對其內(nèi)置彈簧進行理論計算和選型。新設(shè)計的油氣混合分配器具有結(jié)構(gòu)簡單、功能穩(wěn)定的優(yōu)點，供油誤差滿足±10%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用壽命穩(wěn)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(jié)果表明，該試驗機的最佳轉(zhuǎn)速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機床主軸試驗的轉(zhuǎn)速要求。