高速電主軸油氣潤(rùn)滑參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)及平臺(tái)設(shè)計(jì)

張文亮，艾力夏提·依力哈木，謝小鵬，高國(guó)剛

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641；2.寶騰智能潤(rùn)滑技術(shù)(東莞)有限公司，廣東東莞 523000)

機(jī)床高速加工過(guò)程中，高速主軸內(nèi)置的電機(jī)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(qiáng)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(jī)床精度降低的主要因素[4]。所以針對(duì)高速電主軸軸承潤(rùn)滑冷卻的研究非常重要。油氣潤(rùn)滑是高速電主軸最有效的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，但是油氣潤(rùn)滑的應(yīng)用，應(yīng)針對(duì)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(rùn)滑參數(shù)和高昂的引進(jìn)技術(shù)費(fèi)用，是限制國(guó)內(nèi)油氣潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用的主要原因。

為將油氣潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于高速機(jī)床，就必須對(duì)其進(jìn)行大量的參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)[7]。因此搭建適用于油氣潤(rùn)滑參數(shù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)設(shè)計(jì)優(yōu)化油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)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(cè)量高速軸承運(yùn)行噪聲的試驗(yàn)平臺(tái)，研究了預(yù)緊力、軸承轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油供應(yīng)量對(duì)軸承噪聲的影響。LIU等[9]搭建了研究電主軸熱阻問(wèn)題的試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)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(duì)電主軸軸承的溫度、振動(dòng)以及回轉(zhuǎn)精度等參數(shù)的測(cè)試平臺(tái)。何強(qiáng)等人[11]基于Labview設(shè)計(jì)了一套可以對(duì)主軸的溫度、振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理的系統(tǒng)。

上述研究多是針對(duì)電主軸的性能進(jìn)行測(cè)控，缺少針對(duì)高速電主軸在改變載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑狀態(tài)等工況時(shí)的最佳油氣潤(rùn)滑參數(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)。因此，本文作者搭建了可模擬電主軸真實(shí)工況并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)的試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一套油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)并對(duì)其關(guān)鍵部件油氣混合分配器進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

高速電主軸是設(shè)計(jì)和裝配精度要求較高的裝置[12]，在設(shè)計(jì)油氣潤(rùn)滑高速電主軸試驗(yàn)平臺(tái)時(shí)不僅需要達(dá)到電主軸機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度要求，而且試驗(yàn)主軸需要完全模擬電主軸運(yùn)行工況，以達(dá)到滿足優(yōu)化電主軸軸承的冷卻潤(rùn)滑條件。圖1所示為試驗(yàn)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)方案，圖2所示為試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)平臺(tái)主要由試驗(yàn)軸、動(dòng)力電主軸、液壓加載系統(tǒng)、油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣測(cè)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。采用JM6081一體化接觸式溫度傳感器測(cè)量試驗(yàn)軸內(nèi)置軸承的外圈溫度，利用A/V短小型系列紅外測(cè)溫儀測(cè)量與軸承內(nèi)圈連接的試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)軸溫度，采用CZ600電渦流位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸由于高溫產(chǎn)生的熱位移；試驗(yàn)軸的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)壓電式加速度傳感器測(cè)得后，傳送給振動(dòng)加速度變送器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)。最后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了包括溫度、位移、振動(dòng)、電流等信號(hào)的采集，采集的信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、分析和處理。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

主軸系統(tǒng)主要包括電主軸和試驗(yàn)軸，電主軸為試驗(yàn)提供動(dòng)力，試驗(yàn)軸一端與電主軸相連，另一端裝配有加載裝置。試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)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(guò)加載軸承作用于試驗(yàn)軸的轉(zhuǎn)軸上，實(shí)現(xiàn)電主軸運(yùn)行工況的模擬。采用薄膜式油缸對(duì)軸承施加工作載荷，并通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控載荷并通過(guò)主機(jī)控制。冷卻系統(tǒng)是通過(guò)控制水泵實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部冷卻水的循環(huán)。電氣測(cè)控系統(tǒng)是以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(dòng)報(bào)警單元等組成。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)工作要求，為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息互動(dòng)，開發(fā)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了溫度、振動(dòng)、電流和熱位移的實(shí)時(shí)顯示，如圖3所示。界面左邊為采集模塊實(shí)時(shí)采集的溫度、振動(dòng)、電流和熱位移等變化趨勢(shì)，界面右邊顯示傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)。試驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)對(duì)每一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)，便于對(duì)數(shù)據(jù)的二次分析。

圖3 軟件界面設(shè)計(jì)

2 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)及關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)

2.1 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理

油氣潤(rùn)滑與其他潤(rùn)滑方式相比，其優(yōu)勢(shì)是具有油和氣兩相，潤(rùn)滑的效果也是油和氣共同作用[13-14]。圖4示出了油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理。目前常用的油氣潤(rùn)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(rùn)滑系統(tǒng)中，油氣混合器和油氣分配器是實(shí)現(xiàn)油氣潤(rùn)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(qiáng)，構(gòu)件之間易磨損失效，壽命很難準(zhǔn)確確定，對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)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(lái)，設(shè)計(jì)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(rùn)滑系統(tǒng)工作原理

2.2 油氣混合分配器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的油氣混合器結(jié)構(gòu)如圖5所示，經(jīng)過(guò)加壓的潤(rùn)滑油由油泵從油入口7輸入，經(jīng)過(guò)油路單向閥6到達(dá)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(chǔ)到定量閥腔體，當(dāng)油泵停機(jī)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(rùn)滑油通過(guò)定量閥中間芯軸孔排出；在此過(guò)程中油路單向閥6由于彈簧給予油液的壓力向上運(yùn)動(dòng)封閉油入口，同時(shí)打開定量閥中間管口，定量的潤(rùn)滑油排出與高壓氣體混合。設(shè)計(jì)的油壓螺塞1和空氣調(diào)節(jié)螺栓8可以對(duì)油氣出口的油量和氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)油氣混合分配器可以設(shè)計(jì)多組定量閥組，每組接通一條油氣潤(rùn)滑支路，不僅可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油的定量供給，而且各閥組之間相互獨(dú)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(gè)油氣潤(rùn)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(guò)實(shí)際測(cè)定，對(duì)于靜密封用的O形圈，壓縮率設(shè)定為25%～35%，對(duì)于動(dòng)密封用的O形圈，壓縮率設(shè)定為15%～25%。在此基礎(chǔ)上，對(duì)定量閥中的彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。圓柱螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)油前，彈簧在預(yù)壓縮量f1時(shí)的彈性力F1必須滿足：

F1>Fd+fk

(5)

定量閥進(jìn)油時(shí)，彈簧壓縮量為f2，此時(shí)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(dòng)摩擦力；Fo為油壓對(duì)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(guò)測(cè)試，單向閥的預(yù)緊力Fd為1.9 N，O形圈的動(dòng)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(jì)算得彈簧參數(shù)如表1所示。

(7)

表1 彈簧設(shè)計(jì)結(jié)果

(8)

2.3 油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)組成

基于設(shè)計(jì)的油氣混合分配器，設(shè)計(jì)了一種新的油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，如圖6所示。其工作原理是：油泵將潤(rùn)滑油泵入油過(guò)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(shí)氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和干燥器過(guò)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(jìn)入不同的油氣潤(rùn)滑支路。在油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)油氣輸送管末端安裝有油氣檢測(cè)器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送管內(nèi)油氣流量，從而保證高速電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可以持續(xù)得到潤(rùn)滑。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先對(duì)設(shè)計(jì)的油氣混合分配器樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定性和使用壽命分析。設(shè)計(jì)的樣機(jī)有4個(gè)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(yàn)頻率為1 h供油100次，統(tǒng)計(jì)不同樣機(jī)各出油口的油量。然后將油氣混合分配器組裝油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)并應(yīng)用于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證設(shè)計(jì)的油氣混合分配器的供油穩(wěn)定性，隨機(jī)選取7個(gè)樣機(jī)進(jìn)行各油氣出口供油量試驗(yàn)。試驗(yàn)頻率為1 h油泵供油100次，不同樣機(jī)各出口的供油量如圖7所示。其中，樣機(jī)1～4每次供油的時(shí)間為5 s，樣機(jī)5～7每次供油的時(shí)間為10 s。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)各個(gè)油氣出口的供油量差異不大，因此當(dāng)潤(rùn)滑泵供油時(shí)間為5 s時(shí)，已實(shí)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(jī)的各個(gè)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(jī)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(rùn)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(jì)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(jī)抽取4個(gè)油氣混合分配器樣機(jī)進(jìn)行使用壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)每小時(shí)油泵向樣機(jī)供油100次，按各時(shí)段各樣機(jī)4個(gè)油氣出口1 h排出油量的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(yàn)時(shí)間0～200 h，各樣機(jī)的平均供油量都有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槎块y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(yàn)時(shí)間200～1 200 h，各樣機(jī)的平均供油量基本保持不變；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)1 200 h時(shí)，樣機(jī)2、3、4的平均供油量出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，且不同樣機(jī)不同時(shí)段的油量變動(dòng)較大，這是因?yàn)槎块y內(nèi)置彈簧經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)伸縮導(dǎo)致疲勞失效，不能將潤(rùn)滑油足量排出。樣機(jī)1在試驗(yàn)時(shí)間為1 200 h，供油量突然變大，這是因?yàn)槎块y中密封圈或單向閥磨損失效，導(dǎo)致分配器無(wú)法有效控油，隨著時(shí)間延長(zhǎng)和油壓作用，構(gòu)件磨損加劇使油路阻塞。因此，樣機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的持續(xù)穩(wěn)定供給時(shí)間為1 200 h，即設(shè)計(jì)的油氣混合分配器的使用壽命為供油1.2×105次。

3.3 試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證

在搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了高速電主軸試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)軸振動(dòng)、溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖9(a)所示為試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)軸振動(dòng)和轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線?？芍谵D(zhuǎn)速30 000 r/min以下，試驗(yàn)軸承運(yùn)行穩(wěn)定；當(dāng)電主軸運(yùn)行到480 s，轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000 r/min時(shí)試驗(yàn)軸承振動(dòng)急劇增加；而當(dāng)電主軸運(yùn)行到600 s，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在40 000 r/min后，振動(dòng)開始迅速減小。這表明試驗(yàn)軸承在轉(zhuǎn)速30 000～40 000 r/min之間產(chǎn)生了共振，此時(shí)電主軸的工作轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率與試驗(yàn)軸承固有頻率重合。

圖9 基于試驗(yàn)平臺(tái)的振動(dòng)、溫度、電流測(cè)量結(jié)果

圖9(b)所示為試驗(yàn)軸轉(zhuǎn)軸和軸承外圈溫度隨轉(zhuǎn)速和時(shí)間的變化曲線?？梢婋S著運(yùn)行時(shí)間和轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)軸溫度升高相對(duì)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(dá)到30 000 r/min后，軸承溫度快速升高；在轉(zhuǎn)速達(dá)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(dòng)隨轉(zhuǎn)速和時(shí)間變化節(jié)點(diǎn)相同，這是因?yàn)楣舱褡饔眉哟罅溯S承的摩擦損耗，造成溫度的升高。從圖9(b)可知，在該試驗(yàn)機(jī)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(shí)轉(zhuǎn)軸溫升也僅為30～34 ℃?？梢姡O(shè)計(jì)的油氣潤(rùn)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(shí)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(shí)電流也相對(duì)穩(wěn)定升高；在提速的過(guò)程中，電流會(huì)快速升高，當(dāng)在共振區(qū)間時(shí)電流量升高較大，達(dá)到6.8 A。電主軸共振時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的噪聲，影響正常運(yùn)行，急劇縮短使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)谰眯缘仄茐臋C(jī)械結(jié)構(gòu)。為了保證試驗(yàn)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的可靠性，并避免試驗(yàn)機(jī)因共振損傷，該試驗(yàn)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速要求。

綜上所述，文中搭建的試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸溫度、振動(dòng)、電流等參數(shù)，對(duì)高速軸承在油氣潤(rùn)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(rùn)滑高速電主軸軸承試驗(yàn)平臺(tái)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸溫度、振動(dòng)、電流、速度等參數(shù)的功能。

(2)對(duì)油氣潤(rùn)滑系的關(guān)鍵部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了油氣混合分配器，并對(duì)其內(nèi)置彈簧進(jìn)行理論計(jì)算和選型。新設(shè)計(jì)的油氣混合分配器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，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(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行高速電主軸的油氣潤(rùn)滑試驗(yàn)，結(jié)果表明，該試驗(yàn)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速范圍為0～30 000 r/min，滿足高速機(jī)床主軸試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速要求。