大型转轴加工专机主轴静压轴承故障分析及处理方案

Rapid 6K大型转轴加工机床在使用过程中，主轴经常与静压轴承发生摩擦。根据对故障现象的综合分析，将原有的恒压静压径向轴瓦改造为恒流静压结构。在原有结构参数的基础上，重新设计了改造形式和静压参数，制定了合理的改造方案，对机床静压主轴系统的改造设计具有一定的参考价值和现实意义。

1前言

Rapid 6K大型转轴加工机床是1985年从德国Wadrich Coburg公司引进的。经过多年的使用，机床设备已经老化，特别是主轴精度已经严重超标。静压主轴在使用过程中经常与轴瓦发生磨损，维修周期长，严重影响生产和使用。经过调查分析，决定在机床原有结构的基础上重新设计主轴径向静压轴承衬套。

2静压轴承的改造形式

由于机床主轴性能直接影响零件的加工质量和加工精度，主轴静压轴承的性能对机床的总体设计至关重要[1]。

Rapid 6K大型转轴加工机床的主轴轴承过去是恒压静压轴瓦结构。通过对故障现象的综合分析和主轴精度检测，机床主轴和静压轴瓦在长期使用后已经磨损。当负荷增加时，恒压静压不能保证轴瓦的油膜厚度，导致轴瓦频繁研磨损坏。初步计划改造成滚动轴承轴承结构，但实际测绘后，所需轴承直径大于轴瓦直径。由于主轴箱空间有限，只能采用静压轴承支撑结构。

静压轴承的原理如图1所示。根据液压系统供油形式的不同，可分为恒压静压轴承和恒流静压轴承两种类型[2]。两种供油方式各有利弊。综合比较，恒流静压轴承具有以下优点[3，4]。

(1)恒流静液压系统压力储备大，过载能力强。机床主轴的工作负荷不平衡，所以恒压静压轴承油腔压力不一致。如果一个油腔达到或接近液压泵的压力，就不能建立静压油膜。但只要供油系统有足够的流量，恒流静压轴承就能保证旋转摩擦副不接触，形成纯液体油膜摩擦。

(2)良好的油膜刚度恒流静压系统形成的油膜刚度优于带节流装置的恒压系统。

(3)功耗低。恒压静液压系统的液压油通过节流阀会产生压降消耗功率，溢流阀在调节压力溢流时也会消耗功率和热量，导致机床热变形，降低机床的运动精度。

(4)抗油污能力强的阻气门容易被润滑油中的杂质堵塞。一旦节流器堵塞，恒压系统就会失效。如果采用恒流静压轴承，就不会出现这种问题。

综上所述，权衡利弊，本次机床主轴改造采用恒流静压轴承结构。

3静压轴承和静压系统参数

根据机床数据和实测，Rapid 6K主轴加工机床主轴原径向轴承尺寸如图2所示，径向轴瓦及其供油系统已知情况如下:铣轴尺寸为图片；静轴瓦与铣轴的间隙为0.05 ~ 0.06毫米；供油方式为闭式恒压供油；节流方式为毛细管节流；毛细管直径为1毫米；；静态室的数量为4个；静室供油压力(入口压力)为40kgf/cm (1kgf = 9.8n，下同)；静压室油压(出口压力)为8 kgf/cm；液压泵的型号为Qt 3132-20-10f-a；液压泵压力为62k gf/cm；液压泵的流量为42.2 l/min；；液压泵马达型号为Y132S-4，功率5.5kW，转速1440 r/min；液压油品牌为DI N51502 HLP10，动力粘度为9.2×10-8 kgf·s/cm。

4支座改造的设计与计算

根据已知条件，静压轴承的流量系数为

B=(L-a)/(6b) (1)

式中，b为流量系数；l为轴承长度(mm)；a是轴向油密封面长度(mm)；b为周向油封表面的宽度(mm)。

根据平行间隙层流的流量公式，每个油腔的设计流量为

Q0= Bh03Pr0/ηt (2)

式中，Q0为轴承各油室的设计流量(cm3/s)；H0是油膜的厚度(厘米)；Pr0为轴承各油室的设计压力(kgf/cm2)；η是油的动力粘度(kgf·s/cm2)。

已知供油泵的压力为62kgf/cm2。根据经验，Pr0≈30kgf/cm2，液压油的动力粘度ηt = 9.2×10-8 kgf s/cm2，经计算，分别取B=0.482，h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，计算轴承各油腔的流量。

根据表1中的数据，当油膜厚度为0.0025 ~ 0.0030厘米时，液压系统的总供油流量为

总q = kqσ Q0 (3)

式中，q总是液压系统的总供油流量(l/min)；KQ是供油流量系数(根据系数表取1.8)。

径向静压轴承有四个静压油室，因此系统最大总供油流量经计算为1.82L/min。

目前，机床主轴的一个径向轴承和两个端轴承油泵的总供油流量为42.2L/min。假设每个轴承的供油流量为14L/min，是静压轴承的7.7倍。因为流量太大，静压油室内的压力会很高。为了降低油压，必须使用溢流阀来降低流量，这样会造成大量的油从溢流阀溢出，引起油温升高，进而导致静压轴承和主轴的研磨和损坏[5]。

根据每个轴承的供油流量14L/min(即每个静压油室的流量为3.5L/min)，计算供油室压力随油膜厚度的变化。油室压力为

Pr0= Q0ηt/(Bh03) (4)

分别取h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，计算轴承各静压油腔的压力值，如表2所示。

综合考虑供油系统的设计压力，考虑机床原供油系统溢流阀的设定压力为

7bar (1bar = 0.1mpa，下同)，45bar时系统会报警。根据数值分析的实际情况，初步决定对径向静压轴承采取以下改进措施[6]。

1)径向静压轴承的油膜厚度增加到0.0040～0.0045厘米

2)由于静压轴承系统采用恒流压力供给系统，供油流量宜取Q total =20L/min。

3)参考现场数据，采用大节流比。

5验算和处理意见

当系统供油总量为QTotal =20L/min时，径向轴承的流量约为6.67L/min。根据公式(2)，改进后的轴承单油室流量和静压油膜厚度的相应值如表3所示。

根据表3中的数据，当油膜厚度为0.0040~0.0045cm时，液压系统的供油流量为q total = 0.215×4×2.5 = 2.15(L/min)< 6.67 L/min(取KQ=2.5)，因此静压系统的供油流量满足设计要求。

通过对油膜刚度的计算和验证，发现在主轴静压位移较大的情况下，静压油膜仍具有足够的刚度和承载能力，满足机床的生产需要。

根据以上分析和验算，结果与Rapid 6K转轴加工专机现场调试情况基本一致，因此对径向静压轴承的处理意见如下[7，8]。

1)重新设计制造径向静压轴承，轴承内孔径向油膜间隙为0.0040~0.0045cm

2)油膜间隙增大后，考虑节流比的增大，静压轴承供油流量为20 ~ 25 L/min。

3)由于静压轴承没有轴向回油槽结构，径向节流边的大小会影响内部流量系数和节流比的提高，所以减小了周向油封面的宽度，设计为b=20mm。

4)轴承内孔与350mm外圆的同轴度为0.005mm，以保证其旋转精度。

5)轴承两端面对内孔的垂直度为0.005mm，需要研究检查。

6结束语

本文根据快速6K主轴加工机床主轴静压轴承的故障现象，确定将其改造为恒流静压轴承结构，并对其进行了重新设计和计算。确定了油膜厚度、供油系统压力、流量等关键参数，并给出了具体的处理建议。根据处理建议对静压轴瓦进行改造后，机床主轴通过了几何精度试验、高速试验和切削试验，彻底解决了主轴磨削故障。机床运行良好，改造取得了圆满成功。