大规格轴承在大型放疗设备旋转机架中的应用*

西安大医集团有限公司 研发中心 西安 710016

1 研究背景

大规格轴承广泛应用于大型数控机床、雷达、火炮、风电、工程机械等行业,多为立式布局。随着这些行业的快速发展,立式回转支承技术的应用逐渐成熟。而大规格轴承在卧式回转支承中的应用较少,常见的有盾构机刀盘回转支承和螺旋断层扫描机旋转机架回转支承。盾构机以动力支承为主,对回转精度要求较低。断层扫描机以轻载高速运动为主,对分度精度也无较高要求。

国家对全民健康高度重视,对国产大型医疗设备的研发支持力度不断加大。大型放射治疗是研发难度最大的一类医疗设备,目前主导市场的是美国瓦里安、瑞典医科达、美国安科锐等品牌,国内高端市场基本被垄断。大型放疗设备属于精密重型装备,对安全性、精度、可靠性及使用寿命有严格要求。旋转机架是主机支承部件,运行精度、安全性、使用寿命直接决定了整机的使用寿命与精度。随着放疗技术的发展,为满足精准治疗的需求,旋转机架向滚筒式、高精度、一体化方向发展,大规格轴承在旋转机架中的应用越来越广泛[1]。图1所示为两款典型的大型放疗设备旋转机架,为达到治疗目的,需要采用卧式布局。研究大规格轴承在大型放疗设备旋转机架中的应用,对提高国产放疗设备整机性能有积极意义。

图1 大型放疗设备旋转机架

2 大规格轴承分类与特点

大型高端装备的快速发展促进了大规格轴承的需求及技术进步,大规格轴承的典型应用有大型数控机床转台、雷达转塔、盾构机旋转刀盘支承、兆瓦级风电齿轮箱、矿山机械等。目前市场上应用广泛的大规格轴承种类有交叉滚子轴承、推力向心轴承、四点接触式球轴承、深沟球轴承、转盘轴承等,其技术特点见表1[2-7]。

表1 大规格轴承分类与特点

3 旋转机架运行工况分析

大型放疗设备包括伽马刀、医用直线加速器、质子加速器等,旋转机架是主要功能部件。旋转机架多为重载运行,治疗头在旋转机架带动下对患者进行辐射治疗,治疗头中含有大量铅合金、钨合金,质量一般达数千千克。若为质子治疗系统,则质量更是达到十万千克级别,回转支承载荷大。

旋转机架运行时为低速运行,润滑条件恶劣。大型放疗设备应用于患者治疗,出于治疗安全考虑,依据法规,旋转转速很低。以伽马刀为例,治疗过程中,机架旋转速度通常慢于1 r/min,属于极低速。部分设备受安装线缆限制,不能连续回转运动,而是进行正反转往复运动。低速往复运动时,轴承滚子和滚道之间很难形成弹流润滑膜,这使旋转机架支承轴承润滑条件进一步恶化。

支承轴承受辐照,润滑易失效。大型放疗设备安装在医院机房,使用环境需要达到一定要求,一般为无尘、恒温、恒湿环境。治疗过程中,束流的散射会加速润滑脂老化,造成润滑脂提前失效,使轴承润滑条件更为恶化。

通过以上分析可见,大型放疗设备旋转机架中,回转支承轴承面临低速、重载、往复摆动的特殊工况,并处于辐射环境之中。在过大的静载荷或冲击载荷作用下,套圈滚道与滚动体接触处的局部应力会大于材料的屈服强度,导致滚道表面产生过大的塑性变形,使轴承不能正常工作。因此,在设计时需要解决轴承的主要矛盾,预防轴承滚道表面塑性变形、磨损及润滑不良。

4 回转支承轴承受力及失效形式分析

大型放疗设备旋转机架中,回转支承轴承安装位置不易拆卸,这对轴承的使用寿命及可靠性提出了严格的要求。通常要求支承轴承的使用寿命与整机使用寿命相同,不短于10 a。需要依据工况选择合适的轴承类型,对轴承失效形式进行分析,基于合适的计算准则,对轴承进行设计,以克服润滑条件不良所造成的失效风险。

回转支承轴承所受载荷的大小、方向及性质是选择轴承类型的主要依据。旋转机架在运行过程中,施加在回转支承轴承上的载荷主要是重力。轴承主要承受由滚筒及负载重力所产生的径向载荷、由轴向窜动产生的轴向载荷,以及滚筒与负载综合质心偏离轴承支点所引起的倾覆力矩。

通常轴承外圈固定,内圈旋转,因此作用在内圈上的载荷为静止载荷,作用在外圈上的载荷为旋转载荷。当内圈旋转时,滚动体随之滚动,内外圈与滚动体之间的接触位置不断发生变换,接触应力随接触位置的不同而产生脉动变化。滚动体位于轴承上端时,受载极小;位于下端时,受载最大。对于采用双轴承支承方案的旋转机架,轴承受载以径向为主,以轴向为辅。

接触应力和变形的计算是轴承性能分析的关键,轴承接触应力对轴承的疲劳寿命与额定静载荷有重要影响。轴承滚动体与滚道的接触多为点接触或线接触,接触载荷只作用在很小的接触面上,这导致在接触区域产生较大的接触应力。对于常规工况,轴承的失效形式主要是疲劳点蚀,应按轴承的额定动载荷进行寿命计算。对于随旋转机架低速、重载、往复摆动运行的回转支承轴承,主要失效形式是塑性变形,应按轴承的额定静载荷进行强度计算[8-9]。轴承两种主要失效形式如图2所示。

图2 轴承主要失效形式

良好的润滑是轴承长期可靠运行的前提,润滑不良,局部应力增大,变形增大,造成接触区域挤压变形。尤其是在低速换向时,滚动体与滚道之间的稀薄油膜被进一步撕裂,造成滚动体与滚道直接接触。润滑不良是造成重载低速轴承塑性变形的一个主要原因,在进行轴承设计时,润滑应考虑采用包含极压添加剂的润滑脂,增大润滑脂的附着力[10]。对于大型放疗设备旋转机架,还需要考虑润滑脂的耐辐照能力。旋转机架回转支承轴承主要失效形式与原因见表2。

表2 旋转机架回转支承轴承主要失效形式与原因

5 应用设计

某公司开发了一款大型放疗设备,采用滚筒式旋转机架,机架进行-275°～275°往复摆动运动,最高转速为1 r/min,旋转滚筒及安装在旋转机架上的治疗头等载荷共计112.7 kN。旋转机架采用双轴承支承,以径向受力为主,同时承受一定的倾覆力矩及轴向窜动力。轴承选择径向承载为主的轴承,同时兼顾轴向承载。采用双支承时,倾覆力矩较小,可以忽略。根据对各类大规格轴承承载及应用工况的对比分析,确定旋转机架采用大型深沟球轴承双支承,要求轴承有较大的径向游隙,以增大轴承的轴向承载力。轴承布局与受力分析如图3所示,旋转机架回转支承轴承受载情况见表3,深沟球轴承选型设计参数见表4。

图3 轴承布局与受力分析

表3 旋转机架回转支承轴承受载情况 kN

表4 大型深沟球轴承选型设计参数

表4中,P0、C0计算式分别为:

P0=X0Fr+Y0Fa

(1)

C0≥S0P0

(2)

为获得较大的治疗空间,大型放疗设备旋转机架所需轴承的直径较大,轴承的承载能力与尺寸规格成正比关系。在满足安装尺寸的前提下,所选用的轴承,其许用承载力远大于轴承的实际承受载荷。大型深沟球轴承免维护,成本低,因此是比较合理的选择。

6 结束语

大型放疗设备旋转机架属于精密重型卧式回转功能部件,转速低,载荷重,运行时主要为往复摆动运动。旋转机架回转支承轴承以承载径向载荷为主,同时承受适量的倾覆力矩及轴向载荷。当旋转机架为双支撑结构时,采用大型深沟球轴承双支承完全能够满足回转支承的要求。当旋转机架采用单轴承悬臂式布局时,倾覆力矩大,轴向载荷占比增大,可以尝试选用转盘轴承,建议优先选用三排圆柱滚子组合转盘轴承。