一種多線切割機(jī)主導(dǎo)輥軸承冷卻方法應(yīng)用的研究*

李中來(lái)，岳 偉

(常州貝斯塔德機(jī)械股份有限公司，江蘇常州 213023)

0 引言

多線切割技術(shù)是通過(guò)金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)把磨料帶入脆硬材料加工區(qū)域進(jìn)行研磨，最終把材料切割成薄片的創(chuàng)新性工藝［1］。在整個(gè)切割工藝過(guò)程中，鋼線通過(guò)十幾個(gè)導(dǎo)線輪的引導(dǎo)，纏繞在主導(dǎo)輥上形成一張線網(wǎng)，而待加工工件通過(guò)工作臺(tái)的下降實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)給。軸承在高精高速重載的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。

根據(jù)滾動(dòng)軸承類(lèi)型選擇原則［2］，多線切割機(jī)的主導(dǎo)輥采用兩端軸承座支撐的方式，傳動(dòng)端軸承座內(nèi)采用角接觸軸承實(shí)現(xiàn)軸向的定位，另一端軸承座內(nèi)采用圓柱滾子軸承實(shí)現(xiàn)軸向間隙的調(diào)整。軸承在工作過(guò)程中發(fā)熱量很大，這將影響其工作性能并將導(dǎo)致傳動(dòng)軸在徑向和軸向產(chǎn)生一定的熱變形，最終導(dǎo)致主導(dǎo)輥發(fā)生徑向和軸向竄動(dòng)，影響高精度的切割。

控制軸承的溫度一直是多線切割技術(shù)中關(guān)注的重點(diǎn)。研究表明，最有效的控制軸承溫度的方式是采用兩路水對(duì)其軸承內(nèi)、外圈分別進(jìn)行冷卻。現(xiàn)行的多線切割機(jī)的軸承冷卻方式大多采用以水為冷卻介質(zhì)，通過(guò)冷卻安裝軸承外圈的軸承座和安裝軸承內(nèi)圈的傳動(dòng)軸的間接冷卻方式，從而避免由直接冷卻產(chǎn)生的銹蝕和難密封問(wèn)題。一些國(guó)外的主導(dǎo)機(jī)型(如HCT公司的B5)采用分別冷卻軸承座和傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 軸承內(nèi)、外圈分別冷卻結(jié)構(gòu)形式

主導(dǎo)輥需要經(jīng)常拆卸，由圖1看出，通水的鎖緊桿也需卸下來(lái)，這就要求排空前、后傳動(dòng)軸及主導(dǎo)輥腔體內(nèi)的水，而排水需要借助氣體壓力進(jìn)行，這種冷卻結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。有的機(jī)型受該結(jié)構(gòu)所限取消了對(duì)前傳動(dòng)軸的冷卻，只冷卻承載較大的后傳動(dòng)軸和前、后軸承座(如常州貝斯塔德機(jī)械股份有限公司的S600DS，NTC 公司的 PV800，MB 公司的 DS271)，在機(jī)器運(yùn)行速度、載荷不太大的情況下可以滿(mǎn)足工作要求，此種方式的結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化，但運(yùn)行速度、載荷加大后，前軸溫度升高較快。

現(xiàn)有的冷卻方式使得機(jī)器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，得不到廣泛的應(yīng)用。在熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射三種熱量傳遞形式的基礎(chǔ)上，研究分析冷卻軸承座，進(jìn)而控制軸承內(nèi)、外圈溫度的方式。

1 軸承溫度升高的機(jī)理及影響

在沒(méi)有冷卻條件下測(cè)得的FAG公司的7218B角接觸球軸承各元件隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的溫度變化規(guī)律，如圖2所示。ΔTk為滾動(dòng)體溫升;ΔTi為內(nèi)圈溫升;ΔTsp為軸溫升;ΔTa為外圈溫升;ΔTL為軸承座溫升。

圖2 軸承各元件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間-溫度曲線

由圖2可看出，隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，軸承各部件溫度都呈現(xiàn)快速升高的趨勢(shì)。

軸承工作中，熱量主要來(lái)源于在負(fù)荷作用下的滾動(dòng)體與滾道之間的摩擦、密封圈摩擦和外來(lái)的導(dǎo)熱，而溫度變化會(huì)引起機(jī)械零部件熱變形，其計(jì)算公式［3］為:

式中:L為被測(cè)對(duì)象的尺寸，mm;α為材料的線膨脹系數(shù)，1/℃;t為平均溫度，℃;ΔL為熱變形量，mm。

由式(1)可看出，溫度的變化引起熱變形，使機(jī)械零部件尺寸和幾何形狀發(fā)生相應(yīng)變化。在影響精密工程技術(shù)領(lǐng)域精度的眾多因素中，溫度變化引起的熱變形誤差已成為主要的甚至決定性的因素［4］。軸承系統(tǒng)的熱變形將影響軸承的工作精度，改變軸承的工作游隙、預(yù)緊負(fù)荷、過(guò)盈配合的實(shí)際聯(lián)接強(qiáng)度和潤(rùn)滑性能，使軸承實(shí)際工作性能背離設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想［5］。在現(xiàn)行的公差與配合標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定的均為標(biāo)準(zhǔn)溫度(+20℃)時(shí)的數(shù)值，當(dāng)工作溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí)，軸承內(nèi)、外圈的配合性質(zhì)將發(fā)生變化。其中，正常游隙的存在是保證軸承壽命，減小摩擦、振動(dòng)、噪音，保證負(fù)荷均勻分布的客觀需要。滾動(dòng)軸承在較大游隙下工作時(shí)，會(huì)使載荷集中作用于處于受力方向的一個(gè)滾動(dòng)體上，使這個(gè)滾動(dòng)體和內(nèi)外圈溝道接觸處產(chǎn)生很大的集中應(yīng)力，從而使軸承的壽命縮短，剛度降低，同時(shí)還會(huì)使軸心發(fā)生漂移，影響旋轉(zhuǎn)精度，并容易產(chǎn)生振動(dòng);滾動(dòng)軸承的游隙減小到零游隙或負(fù)游隙時(shí)，即所謂的預(yù)緊，滾動(dòng)體的受力狀況得到很大的改善，軸承壽命會(huì)明顯提高，剛度增加從而提高主軸的回轉(zhuǎn)精度和抗振性，但超過(guò)合理的預(yù)緊量時(shí)，不但效果不明顯，而且使軸承磨損和發(fā)熱量增加，壽命反而縮短，軸承的承載能力和極限轉(zhuǎn)速下降。

由圖3、4可看出游隙的變化對(duì)軸承壽命、噪音的影響是很明顯的，合理的游隙能保證軸承的良好工作性能。

圖3 游隙-壽命曲線

圖4 游隙-噪聲曲線

2 傳熱學(xué)理論

熱能是物質(zhì)能量的一種表現(xiàn)形式，傳熱過(guò)程則是熱能的傳播過(guò)程。熱能的傳遞有熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射三種基本形式［2］。

熱傳導(dǎo)是由物質(zhì)內(nèi)部分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象［6］。任意一個(gè)厚度為dx的微元層單位時(shí)間通過(guò)的導(dǎo)熱熱量公式［7］為:

式中:φ為熱傳導(dǎo)熱量;A為熱傳導(dǎo)面積;λ為熱導(dǎo)率。

對(duì)流換熱是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移、冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中分子同時(shí)進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

對(duì)流換熱的基本計(jì)算式為牛頓冷卻公式［7］，即:

式中:φ為對(duì)流換熱量;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);A為對(duì)流面積;Δt為溫差。

物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱(chēng)為輻射，物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱(chēng)為熱輻射。輻射傳熱的特點(diǎn)是它不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換。

熱輻射方程式為［7］:

式中:φ為熱輻射熱量;ε為物體的發(fā)射率;A為輻射表面積;σ為黑體輻射常數(shù);T為黑體的熱力學(xué)溫度。

3 軸承水冷方式的研究分析

傳熱學(xué)理論表明，控制軸承座溫度的實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)熱量以不同的形式傳遞。熱力學(xué)第二定律指出，凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞。現(xiàn)從三種熱能的傳遞形式出發(fā)，通過(guò)采用一路冷卻水，對(duì)多線切割機(jī)軸承的冷卻結(jié)構(gòu)作可行性分析如下。

多線切割機(jī)前、后軸承座均采用雙排布置軸承的結(jié)構(gòu)，兩排軸承之間均有一段距離從而形成了一個(gè)小腔體。設(shè)計(jì)中，在小腔體內(nèi)設(shè)置材料的比熱容大的軸承內(nèi)、外圈隔墊。工作中，內(nèi)圈的熱量既通過(guò)滾動(dòng)體傳遞到外圈，也可直接傳遞到傳動(dòng)軸上，再通過(guò)傳動(dòng)軸將熱量傳遞到內(nèi)圈隔墊。內(nèi)圈隔墊的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和熱輻射三種形式傳遞到外圈隔墊，具體傳遞過(guò)程是內(nèi)隔墊的熱量既可通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式傳遞到內(nèi)、外隔墊之間的氣體，氣體之間以對(duì)流換熱的形式完成熱量的傳遞，然后氣體又通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式把熱量傳遞給外圈隔墊;同時(shí)，內(nèi)隔墊的熱量也通過(guò)熱輻射的形式傳遞到外圈隔墊。外圈隔墊和外圈的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式直接傳遞到軸承座上，因此對(duì)軸承座進(jìn)行冷卻就實(shí)現(xiàn)了軸承內(nèi)、外圈的冷卻。具體冷卻過(guò)程如圖5所示。

為加強(qiáng)傳遞的熱量，應(yīng)做到:①在外圈隔墊上設(shè)置冷卻水流通的孔，以使軸承座內(nèi)的冷卻水導(dǎo)流到外隔墊內(nèi)，使外隔墊與軸承座之間的熱量傳遞更快更有效;②盡量減小內(nèi)、外圈隔墊之間的間隙;③內(nèi)隔墊的外表面和外隔墊的內(nèi)表面周圈加工成鋸齒狀，由式(2)～(4)可知，增加表面積可以增加傳熱量，同時(shí)內(nèi)圈隔墊鋸齒狀的結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)中可以對(duì)氣體形成攪拌作用，使氣體以強(qiáng)迫對(duì)流的形式將熱量傳遞，增強(qiáng)傳熱效果，并且實(shí)際物體不能完全吸收投射到表面上的輻射能，會(huì)形成漫反射現(xiàn)象，該鋸齒形狀的結(jié)構(gòu)可以使輻射過(guò)來(lái)的熱量更易吸收;④鋸齒形狀的外表面應(yīng)有一定的粗糙度，因?yàn)楦吖鉂嵍缺砻娴陌l(fā)射率很低，不利于熱輻射。新形式的冷卻結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。

圖5 軸承冷卻過(guò)程

圖6 改進(jìn)后的軸承座結(jié)構(gòu)

圖7 鋸齒形的內(nèi)、外隔墊

由圖6可看出，通過(guò)一路水冷卻軸承座的結(jié)構(gòu)方式，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且能使軸承內(nèi)、外圈都得到冷卻。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)前、后，對(duì)軸承溫度(℃)隨時(shí)間(min)的變化進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由表1試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)比較可得出，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能有效降低軸承的溫度，從而滿(mǎn)足工作要求。

表1 改進(jìn)前、后軸承溫度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

分析了多線切割機(jī)的工作原理及主導(dǎo)輥軸承座結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)。從溫升嚴(yán)重影響切割精度出發(fā)，在熱量傳遞的理論的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)冷卻軸承座進(jìn)而控制軸承溫度的方法。該方式簡(jiǎn)單易行，能夠?qū)⑤S承溫度控制在工作要求的范圍內(nèi)，對(duì)多線切割機(jī)主導(dǎo)輥軸承冷卻方式的選擇有一定的參考價(jià)值。

5 展望

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外狀況，該方向的研究仍然具有較大的潛力，且研究方法、理論都有待于進(jìn)一步擴(kuò)展。

提出了一種新型冷卻結(jié)構(gòu)，能有效地降低軸承溫度，但是隨著科技的發(fā)展，對(duì)切割精度的要求越來(lái)越高，如何進(jìn)一步通過(guò)改進(jìn)冷卻方式，提高切割精度，具有廣泛的研究潛力，研究的方法、理論都有待完善。

［1］ 張義兵.多線切割機(jī)線張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)［J］.北京:機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(5):295-300.

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