高速干气式密封件试验机用电主轴的结构设计

俞 蓬，曹 琨，徐同申

（洛阳轴研科技股份有限公司 主轴开发部，河南 洛阳 471039）

干气密封是20世纪60年代末期从气体动压轴承的基础上发展起来的一种新型非接触式密封。该密封利用流体动力学原理，通过在密封端面上开设动压槽而实现密封端面的非接触运行。干气密封最初是为解决高速离心压缩机轴封问题而开发的，由于密封非接触运行，因此密封摩擦副材料基本不受PV值的限制，特别适合作为高速、高压设备的轴封。随着干气密封技术的日益成熟，其应用范围也越来越宽广。目前，干气密封正逐渐在离心泵及搅拌器上得到应用。特别在石油、化工等行业中，对有害气体的泄漏必须严格控制，所以对干气密封的转速、性能等各方面的要求也越来越高，也催生了针对干气密封产品的试验机水平的提高。下文针对干气式密封件高速、大扭矩等技术要求，详细阐述高速干气式密封件试验机用电主轴的结构设计。

1 性能要求

干气密封件试验机用电主轴的性能要求为：额定转速7 000 r／min，最高转速25 000 r／min，额定功率47.7 kW，额定扭矩98.2 N·m，最大扭矩98.2 N·m，额定电流65 A。

试验步骤一般为：

（1）快速启动到1 000～2 000 r／min，以使密封腔内的密封件快速打开。

（2）逐步升速到试件要求的额定转速的130%并稳定运行1～2 h，以便检测泄漏量和温升等数值。

（3）停转并检查密封件是否有破损或碎裂，若完好则为合格品。

根据该试验机用电主轴的性能要求和试验工况，初步确定电主轴的结构简图如图1所示。

图1 干气式密封件试验机用电主轴结构图

2 电主轴的结构设计

2.1 轴系设计

为使试验机电主轴单元在高速下稳定工作，除考虑工况、结构设计和成本外，还应保证轴系为全刚性设计，即使主轴的工作频率远低于其固有频率。影响轴承固有频率的因素很多，包含支承、预紧和轴承附加旋转零件等［1］。因此在设计时，应用轴承CAD优化设计软件迭代入轴承转子动力学有限元专用分析软件进行分析计算。通过调整支承轴承的位置、方式和预紧大小以及支承跨距、转轴上附加零件的尺寸，对轴承的动力学性能和静、动态性能进行优化设计。

轴系转子动力学分析计算主要是核算转轴的临界转速、刚度、支承轴承的动态性能和轴承的疲劳寿命等。需要输入的参数有：轴系所划分的各单元尺寸参数、材料、附加质量尺寸、材料参数及支承轴承的相关参数，并模拟实际加工情况给出外载荷，使计算的轴承寿命和轴承刚度更加准确。此处只给出转轴节点图（图2），其他计算结果略。

图2 干气式密封件试验机转轴节点图

2.2 润滑系统设计

为满足密封件试验机高速可靠性，选用VEX50／NS＋VEX45／NS轴承，其转速为28 000 r／min，dm·n值为1.4×106mm·r／min。油雾润滑型电主轴的润滑系统可控性较差，主轴轴承在高转速时搅油发热十分明显，废气自然排放在空间，对周边环境造成严重污染，不是一种理想的润滑方式［2］。而油气润滑型电主轴的油气是由油气系统提供给电主轴轴承的，源源不断供给的压缩空气主要起送油、散热作用。润滑油由16位机控制的定量泵按设定的时间间隔提供，经混合阀形成断续油气，以微滴状态供给轴承。其供油量可由16位机调整，因此选用油气润滑能获得更好的润滑和散热效果。此外，为确保主轴每套轴承都能得到充分润滑，每套轴承都有一路润滑通道。由于油气润滑电主轴是以微滴状态供油的，因此应适当加大轴承配流环上喷口的直径，同时应适当减少喷口数。

在整个润滑系统设计方面，考虑到油气润滑轴承需分4路，在电主轴前盖、后盖分别通两路润滑孔至中间轴承隔圈，在隔圈两侧分别打两个Φ2 mm小孔至轴承内圈，这样就构成了4路单一供给润滑油的油气润滑系统，其结构如图3所示。

图3 油气润滑系统

2.3 冷却系统设计

电动机（定子）和轴承在高速旋转状态下会有发热现象，如果不采用冷却手段，其温度将会一步步增加，进而造成电动机或者轴承的烧毁。因此建立整个电主轴的冷却系统是很有必要的，而且要兼顾电动机和轴承的冷却。该试验机轴承的冷却通过油气润滑系统，经微量的油气带走轴承的温度，并通过转轴与零件间的缝隙排出，达到散热的目的。电动机采用某公司的MSS 142D＋MRS 142D电动机定、转子，其中电动机自带水冷腔，只需在电主轴后盖处加工两个孔，让冷却管道露出与水冷却机接通即可。

2.4 预载荷系统的设计

为克服角接触球轴承钢球高速旋转时自旋打滑，增强高速轴承支承及主轴的整体刚度，克服主轴电动机单边磁拉力对转轴的影响，高速轴系的轴承必须施加预载荷安装［3］。

预载荷的取值对轴承的使用寿命、高速性及支承刚度的影响甚大。选择合理的预载荷，可使轴承的钢球高速运转时处于理想状态下，从而达到提高轴承使用寿命和增加支承刚性的目的。

该试验机选用定压预载荷系统的设计（图4），由弹簧组预载使高速主轴在旋转时轴承钢球紧贴在沟道内运转。这种组合的电主轴可达转速比较高，相对寿命比较长，每套轴承上承受的力是总轴向力的1／2。同时预载荷值的大小也很关键，预载荷过小则主轴整体刚性明显降低，轴向承载能力明显下降。若设定的预载荷量不足以克服主轴工作时所承受的轴向力和各作用力，主轴在工作中将产生明显振动。若原设定的预载荷低于轴承以额定转速运转时离心力的临界值，则该电主轴轴承将出现打滑，从而急剧升温产生特殊磨痕。同样预载荷过大，则钢球与沟道接触区域的变形明显增加，接触应力增大；同时该区域内的润滑油难以形成理想的动压油膜，轴承的润滑和散热条件都变差，轴承的工作寿命将大幅下降［4］。通过实际工况的综合考虑和经验数据，确定该试验机的预载荷值为800 N。

图4 预载荷系统设计图

顺便要提到的一点就是，在完成总体结构设计、生产加工、装配后，试运转的时候发现编码器反馈信号总是不稳定，时有时无。经过最终查证才发现，将编码器固定在后轴承座上，成为一体，虽可以节省后部的空间，但后轴承座的振动会造成编码器接收信号的不稳定。最终又设计过渡座让编码器固定在壳体上，从而解决了上述问题。

综合以上分析，确定电主轴设计方案为：电动机选配某公司的MSS 142D＋MRS 142D电动机定、转子，配装某公司的HCS03驱动模块，驱动程序由该公司编辑成文档并用电脑书写在模块软件上。编码器选用某公司的GEL 2442使电动机实现速度闭环控制。同时选用某公司的2-VEX50／NS＋2-VEX45／NS轴承为支承，采用油气润滑。冷却选用MCW-15型制冷水冷却机，制冷温度为16℃。

3 结束语

高速试验机用电主轴在追求高效率的同时，又要求高速、高精度、高刚性及高可靠性等，在电主轴结构设计和分析的基础上，广泛采用系统化、集成化计算机技术。在该电主轴的设计中，充分考虑以上优化设计要点，可以使轴承的实际使用寿命延长50%以上，同时有效地提升了电主轴试验机的质量。