凸轮轴磨床砂轮静压主轴的研究性修复

吕利伟 闫兴军

（一拖（洛阳）柴油机有限公司 河南洛阳）

一、故障简介

日本NTC凸轮轴磨床是一台对柴油机凸轮轴各凸轮表面进行精加工的设备。在日常使用过程中，砂轮主轴出现抱瓦现象，造成静压主轴咬死。同时发现主轴发热量高，温度高达100℃以上。直接造成设备停机，为了能够挽回企业停产造成的损失，决定成立项目小组进行修复。

二、故障诊断分析

（1）由于砂轮主轴属于静压轴承主轴，旋转速度高，转速高达5800 r/min，回转精度高。该静压主轴采用供油压力恒定系统的液体静压轴承和轴瓦的构造。外部供给的压力油通过节流器后从供油压力降至油腔压力，再通过封油面与轴颈间的间隙从油腔压力降至环境压力。轴承在轴不受外力时,轴颈与轴承孔同心,各油腔的间隙、流量、压力均相等，即设计状态。当轴受外力时轴颈位移，各油腔的平均间隙、流量、压力均发生变化，这时轴承外力与各油腔油膜力的向量和平衡。节流器起自动调节油腔压力和补偿流量的作用，其补偿性能会影响轴承的承载能力、油膜刚度等。该主轴采用小孔节流器。由于轴的旋转,在轴承封油面上有液体动压力产生,有利于提高轴承的承载能力。这种现象称为动压效应，速度越高，动压效应也越显著。所以对压力油的性能要求很高，工作的同时将伴随大量的热量产生，一旦热量不能及时带走，将会对主轴的刚度产生影响，同时对压力油的黏度也会产生影响，造成主轴压力的波动，主轴浮起量发生改变，引起轴承干摩擦，进而产生更多的热量，打破散热平衡，最后造成主轴咬死。

（2）通过对主轴系统的检查发现几个问题。①主轴表面温度和油箱温度偏高。②蓄能器蓄能效果大大下降，不能满足使用要求。③拆开主轴后发现内部残留的油液中含一种黏稠的物质，初步断定为主轴润滑油中含杂质所致。④静压轴承磨损严重，有严重的拉毛痕迹，经测量静压轴承静压油腔间隙不均匀，最大间隙达0.2 mm，远远超出要求的0.07 mm。⑤部分节流器节流孔被油液中脏物堵塞，造成油腔中作用于轴的静压力不能将轴浮起，浮量达不到要求，造成干摩擦。

（3）针对检查结果及查阅相关资料，同时咨询生产厂家专家，这种精度高的静压主轴系统，一旦出现磨损或主轴咬死现象，修复非常困难，一般都是采用更换的方式。面对厂实际情况，购买或订购主轴周期长，决定试着修复这一故障。通过查阅静压润滑主轴轴承相关资料可知，要想保证主轴轴承的正常运转，必须保证形成可靠的外部压力、油腔压力和环境压力。产生主轴浮量，形成压力油膜，以承受载荷。

三、修复实施方案

（1）根据诊断情况，项目组制定了两套修复方案。①通过对磨损轴瓦的刮研，尽量均衡油腔各部位的间隙，以获得可靠的油腔压力，同时对各个节流器进行改进，通过改变其小孔直径的方法改变流量和压力，以获得可靠的环境压力。此方案简单可行，实施时间短。②通过对磨损轴瓦镶嵌新的巴士合金层的方法，形成符合要求的油腔间隙，清洗堵塞的节流器，以形成可靠的油腔压力和环境压力，保证主轴浮量，形成压力油膜。

（2）方案实施前，首先对油箱进行了清洁保养，注入美孚6号润滑油，以保证压力油液的性能要求，其次通过查阅原蓄能器技术指标以及蓄能要求，购买更换了符合使用要求的蓄能器。然后对空调冷却系统进行了检查，保证冷却系统能够正常运行。同时对油泵以及各压力元件进行了检查，保证外部压力的恒定。

（3）方案一的实施。①通过对轴瓦的反复刮研，测量，尽量保证轴瓦各部分直径的统一，获得更为接近的油腔间隙。②测绘加工不同小孔直径的小孔节流器，从0.5 mm到2.0 mm各不同尺寸各准备一套（6个），以备调整使用。③将主轴轴承安装到头架上，供上外部压力油，用手轻轻盘动主轴，观察主轴是否转动灵活，失去外力后主轴是否具有一定的自转惯性，以确认是否获得均匀的承载油膜。同时打表测量主轴两端的浮起量，看是否接近，达到使用要求。然后拆下来观察轴和轴瓦干摩擦部分，进行局部刮研，同时根据浮起情况调整小孔节流器。④按照此方法反复进行刮研修复调试，直到主轴供上压力油后，盘动灵活，浮起量两端均匀，具有一定的转动惯性后，连上电机、皮带，调好张紧力，启动电机进行试车转动，并观察仪表反应的主轴平衡量是否在要求的范围内，观察一段时间，看主轴温度情况，依次反复进行多次试验。⑤经常若干次的实验，主轴能够达到转动灵活，浮量达到要求，但是无法获得可靠的刚度，一旦高速旋转，主轴就会偏离，回转度超差，出现部分干摩擦，热量无法散去，主轴温度急剧升高，不能达到使用要求。充分证明，对于精度要求高的静压轴承，油腔内环境压力通过方案一无法达到使用要求。

（4）在方案一失败后，立即进行方案二的实施。①通过查阅资料，确定了选择锡基巴士合金做为轴瓦材料，由于在原来的轴瓦基座上浇注会破坏原来轴向的巴士合金层以及环带内部的巴士合金层。只有采取镶嵌巴士合金套的方法修复轴瓦。②对轴瓦原来的巴士合金涂层进行测绘，由于轴瓦的配合尺寸为轴瓦孔为直径 80.07－0.005 mm，轴直径 80－0.005 mm，有效长度80 mm，确定镶嵌巴士合金套底孔直径83.8-0.01 mm，以保证镶嵌后巴士合金套的壁厚达1.9 mm。同时为了保证巴士合金套外圆的加工，需要设计一个刚性大的环，让巴士合金浇注到环上，通过对各个尺寸的测绘及图纸确认，设计了一个外径77 mm，内径72 mm，长度81 mm，材料为45号刚的环作为巴士合金浇注的环座。③联系巴士合金浇注厂家，浇注出符合要求的巴士合金毛坯套。④在厂辛辛那提小型立式加工中心上进行加工，首先对磨损的轴瓦巴士合金层进行镗削加工到底孔直径83.8+0.005 mm，然后对巴士合金套外径及长度进行加工，直径尺寸达到83.8-0.005 mm，长度80 mm。然后利用特种胶涂在巴士合金外圆上进行镶嵌。⑤等待一段时间，使其完全粘接牢固后进行内孔的加工，首先小进刀量镗削加工，将环座镗削掉，然后对巴士合金进行加工，直径达到80.07－0.005 mm。⑥对整个圆周的6个节流器安装孔进行加工，满足节流器的安装要求。⑦加工完成后，重新在主轴头架上进行安装试转以及浮量的测量，同时盘动主轴检查转动灵活性及转动惯性。按照方案一的调试方法进行调整，对旋转中出现的局部接触点进行微量的刮研。通过调整测试，砂轮近端选择直径0.6 mm的小孔节流器，远端选择直径0.8 mm的小孔节流器。砂轮远端浮量0.012 mm，近端浮量0.001 mm。回转精度也在0.005 mm以内。⑧在电机的驱动下，经过近3 h的空运转，主轴温度控制50℃以下，主轴一切运转正常。

（5）对静压主轴单元各个外围元件及砂轮进行安装，试车进行零件加工。

四、修复效果

现场对主轴进行两天的跟踪观察，主轴转动及油温正常，加工出的零件也完全达到工艺要求。然后又对其进行了两周的定期检查回访，设备一切运行良好，完全达到正常使用要求。

该静压轴承主轴总成（含底座），日本报价45万元人民币，交货周期半年以上。提供图纸委托上海机床厂加工静压轴承轴瓦，主轴部件总成（不含底座）报价22万，交货周期5个月。除去维修中巴士合金套的外委加工及内部加工费用近2万元。综合考虑，该项修复直接为公司节省维修费用20万元人民币。