Rapid 6K大型转轴加工专机在使用过程中主轴经常与静压轴承研伤，根据故障现象综合分析，将原恒压静压径向轴瓦改造为恒流静压结构，在原有结构参数的基础上重新设计计算，确定改造形式和静压参数，制定合理的改造方案，对机床静压主轴系统改造设计具有一定的参考价值和现实意义。

1  序言
        Rapid 6K大型转轴加工专机于1985年从德国瓦德里希科堡公司引进，经过多年使用，机床设备已经老化，特别是主轴精度严重超标，静压主轴在使用过程中经常与轴瓦研伤，维修周期长，严重影响生产使用。经调研分析，决定在机床原有结构的基础上对主轴径向静压轴瓦进行重新设计改造。

2  静压轴承改造形式
        由于机床主轴性能直接影响到零件加工质量和加工精度，因此主轴静压轴瓦性能的优劣对机床整体设计至关重要[1]。
        Rapid 6K大型转轴加工专机主轴轴承原为恒压静压轴瓦结构形式，通过对故障现象和主轴精度检测综合分析，机床经过长时间使用后，主轴与静压轴瓦已发生磨损，负载增大时，恒压静压不能保证轴瓦油膜厚度，从而造成轴瓦经常研伤的故障。初步计划将其改造为滚动轴承承载的结构形式，但经过实际测绘，所需轴承直径大于轴瓦直径，由于主轴箱空间受限，所以只能采用静压轴承支撑结构形式。
        静压轴承原理如图1所示，根据液压系统供油形式不同，可将其分为恒压静压轴承和恒流静压轴承两种[2]。两种供油方式各有利弊，综合比较，恒流静压轴承具有以下优点[3，4]。
（1）恒流静压系统压力储备大且过载能力强  机床主轴的工作负荷不均衡，恒压静压轴承油腔的压力就不一致，若某油腔达到或接近液压泵压力时，就无法建立静压油膜。但只要供油系统具有足够的流量，恒流静压轴承就能够保证旋转摩擦副之间脱离接触，形成纯液体油膜摩擦。
（2）油膜刚度好  恒流静压系统所形成的油膜刚度比有节流装置的恒压系统要好。
（3）功率损耗小  恒压静压系统的液压油通过节流器会产生压力降，消耗功率，溢流阀调整压力溢流也会消耗功率，产生热量，油温升高，从而导致机床热变形，降低机床运动精度。
（4）油液污染抵抗力强  节流器容易被润滑油液杂质堵塞，节流器一旦被堵塞，恒压系统就会失效。若采用恒流静压轴承就不会出现此类问题。
        综上所述，权衡利弊，本次机床主轴改造采用恒流静压轴承结构形式。

图1  静压轴承原理

3  静压轴承及静压系统参数
        经参阅机床资料及实际测量，Rapid 6K转轴加工专机主轴原径向轴承尺寸如图2所示，径向轴瓦及其供油系统已知条件如下：铣轴尺寸为图片；静压轴瓦与铣轴间隙为0.05～0.06mm；供油方式为闭式恒压供油；节流方式为毛细管节流；毛细管直径为1mm；静压腔数量为4个；静压腔供油压力（进口压力）为40kgf/cm²（1kgf=9.8N，下同）；静压腔油液压力（出口压力）为8kgf/cm²；液压泵型号为QT3132-20-10F-A；液压泵压力为62kgf/cm²；液压泵流量为42.2L/min；液压泵电动机型号为Y132S-4，功率为5.5kW，转速为1440r/min；液压油牌号为DI N51502 HLP10，油液动力黏度为9.2×10-8kgf·s/cm²。

图2 原径向轴承尺寸

4  轴承改造设计计算
        根据已知条件，静压轴承流量系数为
        B=（L－a）/（6b）        （1）
        式中，B 是流量系数；L是轴承长度（mm）；a是轴向封油面长度（mm）；b是周向封油面宽度（mm）。
        根据平行间隙层流流动的流量公式，每个油腔的设计流量为
        Q0= Bh03Pr0/ηt         （2）
        式中， Q0是轴承每个油腔的设计流量（cm3/s）；h0是油膜厚度（cm）；Pr0是轴承每个油腔的设计压力（kgf/cm2）；ηt是油液动力黏度（kgf·s/cm2）。
        已知供油泵压力为62kgf/cm2，根据经验取Pr0≈30kgf/cm2，液压油动力黏度ηt=9.2×10-8kgf·s/cm2，经计算B=0.482，分别取h0=0.0015cm，0.0020cm……0.0050cm，计算轴承每个油腔的流量值，见表1。

表1 油膜厚度与油腔流量对应值

        根据表1中数据计算，当油膜厚度为0.0025～0.0030cm时，液压系统供油总流量为
         Q总=KQΣQ0         （3）
        式中，Q总是液压系统供油总流量（L/min）；KQ是供油流量系数（根据系数表取1.8）。
        因径向静压轴承共有4个静压油腔，所以经计算系统最大供油总流量为1.82L/min。
        现机床主轴的1个径向轴承与2个端面轴承油泵的供油总流量为42.2L/min，设每个轴承供油流量为14L/min，流量是静压轴承所需流量的7.7倍。由于流量过大，所以静压油腔压力会很高。为了降低油压，必须用溢流阀将流量调低，这样就会导致大量油液从溢流阀溢出，造成油温升高，进而导致静压轴承与主轴研伤损坏[5]。
        按照每个轴承供油流量为14L/min（即每个静压油腔流量为3.5L/min）的情况，计算供油腔压力随油膜厚度变化的情况。油腔压力为
        Pr0= Q0ηt/（Bh03）        （4）
        分别取h0=0.0020cm，0.0025cm……0.0045cm，计算轴承每个静压油腔的压力值，见表2。

表2 油膜厚度与油腔压力对应值

        对供油系统设计压力进行综合考虑， 并考虑到机床原供油系统溢流阀的设定压力为
        75bar（1bar=0.1MPa，下同），并在45bar时系统报警，根据数值分析的实际情况，初步决定对径向静压轴承采取如下改进措施[6]。
1）径向静压轴承油膜厚度加大至0.0040～0.0045cm。
2）因静压轴承系统采用恒流供压系统，所以供油流量取Q总=20L/min为宜。
3）参考现场数据，采用大的节流比方式。

5  验算及处理意见
        取系统供油油量为Q总=20L/min，则径向轴承流量近似为6.67L/min。根据式（2），改进后的轴承单油腔流量与静压油膜厚度的对应值见表3。

表3 改进后的油膜厚度与油腔流量对应值

        根据表3中数据计算，当油膜厚度为0.0040～0.0045cm时，液压系统供油流量为Q总= 0.215× 4 ×2.5=2.15（L/min）＜6.67L/min（取KQ=2.5），所以静压系统供油流量满足设计要求。
        通过油膜刚度计算校验，在主轴静压位移较大的条件下，静压油膜仍有足够刚度和承载能力，符合机床的生产需要。
        根据以上分析验算，其结果和Rapid 6K转轴加工专机现场调试出现的情况对照基本吻合，所以对径向静压轴承处理意见如下[7，8]。
1）重新设计制造径向静压轴承，轴承内孔半径方向的油膜间隙取值为0.0040～0.0045cm。
2）在油膜间隙加大后，考虑到节流比的加大，静压轴承供油流量取值为20～25L/min。
3）由于本静压轴承为无轴向回油槽结构，径向节流边的大小将影响内流系数和节流比的提高，所以将周向封油面宽度变小，设计为b=20mm。
4）轴承内孔对Φ350mm外圆同轴度为0.005mm，以保证其回转精度。
5）轴承两端面对内孔的垂直度为0.005mm，需配研检查。

6  结束语
        本文根据Rapid 6K转轴加工专机主轴静压轴承故障的现象，确定将其改造为恒流静压轴承结构形式，并对其进行重新设计计算，确定了其油膜厚度，供油系统压力、流量等关键参数，给出了具体的处理意见。根据处理意见进行静压轴瓦改造后，机床主轴通过了几何精度检测、高转速测试和切削试验，彻底解决了主轴研伤故障，机床运行状态良好，改造获得了圆满成功。

参考文献：
[1] 郁鼎文. 国外机床的翻新工作简介[J]. 制造技术与机床，1996（11）：44-46.
[2] 陈燕生. 液体静压支承原理和设计[M]. 北京：国防工业出版社，1980.
[3] 彭熙伟. 流体传动与控制基础[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
[4] 邱勇. 工作台导轨静压改造[J]. 重型机械科技，2005（1）：23-26.
[5] 朱德志. 恒流静压技术在刨改铣中的应用[J]. 制造技术与机床，2005（7）：106-109.
[6] 吴博. 液压系统使用与维修手册[M]. 北京：机械工业出版社，2012.
[7] 张展. 机械设计通用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2008.
[8] 李壮云. 液压元件与系统[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2011.

        本文发表于《金属加工（冷加工）》2022年第8期第82~85页，作者：哈尔滨电机厂有限责任公司　王立春，戴彤焱，原标题：《大型转轴加工专机主轴静压轴承故障分析及处理方案》。