迷宫密封技术在电主轴中的应用研究

发布时间：2012-04-20 浏览次数：379

作者：李劲夫
（衡阳财经工业职业技术学院）

　　近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构。目前国内电主轴技术已经应用到内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离心、高速旋碾、高速试验等领域。内装式电主轴单元将电机和高精度主轴结合在一起，使机床摆脱了机械传动的束缚，简化了机床结构，同时消除了由机械传动产生的振动噪声，降低了成本。因此，研究将电主轴技术应用到机床行业的数控改造具有广泛的前景和可观的经济效益。
　　1　电主轴简介
　　电主轴是Z近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代[3]。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴则将异步电机的转子直接通过过盈配合与机床主轴相连，从而取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节，实现了主电机与机床主轴的一体化，使机床的主传动系统实现了所谓的“零传动”。电主轴就是利用变换输入电动机定子绕组的电流的频率和激磁电压来获得各种转速。电主轴外形结构如图1所示。

图1　电主轴外形图

　　2　电主轴的润滑和密封
　　在高速电主轴的使用过程中，电主轴的润滑和密封非常重要。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。笔者在讨论数控化改造时所应用的高速电主轴中的润滑采用油雾润滑。油雾润滑是一种具有润滑与冷却双重作用的润滑方式，它以压缩空气为动力，通过油雾器使油液雾化并混人空气流中，然后输送到需要润滑的地方。当轴承的速度因值在范围时适宜采用油雾润滑，因此转速为的高速主轴一般均采用油雾润滑。当电主轴高速旋转时油雾可在轴承沟道内形成流体动力润滑油膜。油雾润滑属持续润滑，油雾经过油路，源源不断进人轴承，有利于高速电主轴稳定工作。油雾润滑所需设备简单，维修方便，是广泛使用的一种高速电主轴润滑方式。尽管油雾润滑方式价格比较便宜，但它也有污染环境，损害工人健康，油耗比较高等缺点。对于高速电主轴轴承会因为有各种微小颗粒的进入而影响到精度和寿命，这会大大影响电主轴的性能。高速电主轴的密封技术有很多种，笔者讨论和设计了一种能够应用到高速电主轴的迷宫装置。
　　3　迷宫密封装置的设计
　　迷宫密封就是人为地在泄漏通道内加设许多个齿或槽，来增加泄漏流动中的阻力，使造成泄漏的压差急骤地损失。若迷宫设计良好，泄漏通道两端的压差全部损失后，可以实现封严不漏。笔者在机床数控化改造的过程中采用的润滑方式为油雾润滑。油液雾化后与空气混合后送到需要润滑的地方。对于含有油雾的气流通过迷宫产生阻力并使其流量减少的机能称为“迷宫效应”。对一般密封所不能胜任的高温、高压、高速和大尺寸密封部位，都可以做到封严不漏，特别是高速下密封性能好。通常不需要采用其它密封材料，且密封零件可以在制造设备本体时一并设计制造。只要密封件加工装配良好，在运行中就不致发生其它密封件经常发生的事故，一般不需要额外加以维护。无摩擦、功耗小，使用寿命长。笔者设计的具有迷宫密封装置的高速电主轴结构如图2所示。

图2　具有迷宫密封的电主轴结构图
 

　　4　迷宫密封的机理
　　迷宫密封机理是很复杂的。泄露混合流在迷宫中流动时，因粘性而产生的摩擦，使流速减慢流量（泄露量）减少。简单说来，混合流体沿流道的沿程摩擦和局部磨阻构成了磨阻效应，前者与通道的长度和截面形状有关，后者与迷宫的弯曲数和几何形状有关。一般是：当流道长、拐弯急、齿顶尖时，阻力大，压差损失显著，泄露量减小。
　　4.1泄漏量的计算
　　在我们设计的迷宫密封侧要求有一定量的保护气体以较高的流速进入电主轴内，以阻止微小固体微粒进行密封腔。气流通过梳齿流动时会出现气体膨胀，势能转变成动能，在Z后迷宫槽内，气体比容增大，流速提高，在一定压差下，进入电主轴内的保护气体具有极高的动能，阻止微粒进入密封腔，从而使密封结构正常工作。Z后一个迷宫室内的流动条件可根据迷宫出口（电主轴内侧）和入口（保护气分配环）处的压力比确定，临界音速压比：

　　此时空气通过梳齿的速度为，可以阻止微小颗粒进入密封腔，能够确保密封装置正常地工作。
　　5　结论
　　对采用油雾润滑方式的高速电主轴设计了一种迷宫密封结构进行密封，对迷宫密封的泄漏量和混合气流速度进行了计算，结果与预期相符合，泄漏量满足使用要求，并能较好地满足阻止微小固体颗粒进入电主轴内，能够被应用到具有粉尘颗粒的环境中。

来源：《煤矿机械》