伏宇璐 張學(xué)斌 丁偉文
（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011）
摘 要：磨齒機(jī)是齒輪磨齒精加工的重要設(shè)備，但由于機(jī)床的主軸電機(jī)冷卻不充分會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法加工出滿足要求的齒輪零部件，為此有必要對(duì)主軸電機(jī)的冷卻機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究改造。
關(guān)鍵詞：NILES進(jìn)口磨齒機(jī)；主軸電機(jī)；原理分析；改造
NILES磨齒機(jī)是德國(guó)進(jìn)口的成型磨齒機(jī)設(shè)備，主要用于加工高鐵、動(dòng)車、風(fēng)電以及地鐵車輛上的齒輪箱齒輪，磨齒機(jī)是齒輪箱齒輪加工的Z后重要工序之一，磨齒精度的好壞關(guān)系著齒輪產(chǎn)品的加工質(zhì)量，關(guān)系著齒輪箱組裝后的傳動(dòng)精度。
高精度設(shè)備的完好使用是齒輪產(chǎn)品質(zhì)量精度的保證，其中砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)精度是直接影響齒輪磨削面加工精度的關(guān)鍵因素，而砂輪主軸長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生大量熱量，熱量控制不好，就會(huì)降低砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)精度，嚴(yán)重時(shí)直接損壞主軸軸承和內(nèi)部零部件。目前每年都會(huì)有砂輪主軸因?yàn)樯岵缓枚枰M(jìn)行修理的情況，2016～2018年共發(fā)生7起砂輪主軸報(bào)修，修理費(fèi)用達(dá)22.5萬(wàn)元。多年來(lái)廠家對(duì)這類設(shè)備修理技術(shù)一直處于壟斷模式，因此如何給砂輪主軸有效降溫，更好地保證主軸精度和延長(zhǎng)其使用壽命是迫切需要解決的問(wèn)題。
01 造前冷卻結(jié)構(gòu)分析
針對(duì)上述問(wèn)題，著重分析了目前磨齒機(jī)主軸電機(jī)冷卻的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀。目前，NILES磨齒機(jī)主軸冷卻采用的是外冷的方法(見圖1)，機(jī)床改造前如圖2所示。
圖1 改造前冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 機(jī)床改造前實(shí)際效果圖
砂輪主軸冷卻和工件磨削冷卻油是由同一個(gè)泵供給，總壓力為0.5MPa。工作原理為:磨削油泵抽油→油路分配器，通過(guò)分配器之后，一路到磨削區(qū)域?qū)ぜM(jìn)行加工冷卻，另一路到砂輪主軸內(nèi)部對(duì)高速運(yùn)行的主軸進(jìn)行冷卻散熱，冷卻油在機(jī)床內(nèi)通過(guò)管道流回冷卻油箱。
02 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
確定冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)：冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)有壓力和流量，根據(jù)原來(lái)機(jī)床的冷卻壓力選擇合適的冷卻泵。
(1)確定冷卻泵的Z大工作壓力為0.5MPa。
(2)確定冷卻泵的揚(yáng)程Hp。冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，冷卻泵的輸出流量為:Hp=(hf+hd)+hm+hs。式中:hf、hd分別為冷卻油管路系統(tǒng)總的沿途阻力和局部阻力，hm為冷凝器阻力，hs為冷卻油箱到冷卻電機(jī)的高度差。
(3)選擇冷卻泵的規(guī)格。根據(jù)以上求得的Hp值按系統(tǒng)中擬定的冷卻泵形式，從產(chǎn)品樣本或手冊(cè)中選擇相應(yīng)的冷卻泵。
根據(jù)儲(chǔ)油量要求計(jì)算油箱容量：原機(jī)床的主軸冷卻是和工件冷卻混合在一起的，儲(chǔ)油量為1400L，而新油箱容量要根據(jù)實(shí)際使用來(lái)制定，儲(chǔ)油量約為50L，一般油面的高度是油箱高h(yuǎn)的0.8倍，V=0.8abh。得出需要油液的體積V，再通過(guò)公式換算成實(shí)際需要的油量大小，式中a為油箱的寬度，b為油箱的長(zhǎng)度，h為油箱的高度。主軸電機(jī)的冷卻系統(tǒng)正常工作溫度是22～28℃。根據(jù)制冷產(chǎn)品手冊(cè)，選擇合適的制冷空調(diào)。
03 改造后結(jié)構(gòu)分析
機(jī)床改造后冷卻結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，分離后的主軸采用了獨(dú)立的冷卻油箱供油，油液通過(guò)空調(diào)冷卻系統(tǒng)使其溫度達(dá)到24℃～27℃后再返回冷卻油箱，保證冷卻油箱的油液始終是恒溫狀態(tài)，然后油泵電機(jī)抽油冷卻，內(nèi)部循環(huán)后再流回主軸冷卻油箱。原來(lái)的冷卻機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)的外部進(jìn)行沖刷冷卻，這樣雙重冷卻使電機(jī)運(yùn)行更加可靠，壽命更長(zhǎng)，同時(shí)主軸的冷卻油更清潔，流速更高，熱量效果也更好，主軸油箱經(jīng)空調(diào)冷卻后，可以極大地提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度和使用壽命。
圖3 機(jī)床改造后冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)電路部分進(jìn)行改造，采用單獨(dú)供電模式，加裝機(jī)械過(guò)濾及檢測(cè)壓力報(bào)警裝置，并在機(jī)床系統(tǒng)中編入檢測(cè)報(bào)警程序，及時(shí)有效地監(jiān)控主軸電機(jī)的冷卻情況。
改造后的冷卻結(jié)構(gòu)具備以下優(yōu)點(diǎn):
(1)采用內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)，使油液干凈不含有雜質(zhì)，同時(shí)清潔的油液也不容易堵塞管道。
(2)冷卻溫度得到控制，油箱冷卻裝置可有效保證主軸冷卻液的恒定溫度，使主軸電機(jī)溫度處于恒定狀態(tài)，有效保證砂輪的旋轉(zhuǎn)精度，提高電機(jī)主軸工作的穩(wěn)定性能。
(3)提高了主軸的使用壽命，恒溫的冷卻循環(huán)系統(tǒng)能有效減少熱源的產(chǎn)生，確保砂輪主軸的正常使用，使砂輪電機(jī)使用壽命延長(zhǎng)3～5年，較原來(lái)提高了40%?
(4)降低了設(shè)備停機(jī)率，砂輪主軸電機(jī)更換一次需要2天，修理一次需要7天，購(gòu)買全新主軸電機(jī)需要40天的周期，改造后設(shè)備的停機(jī)率降低了60%。
(5)控制了維修成本，改造后可減少砂輪主軸冷卻內(nèi)腔的磨損、電機(jī)主軸進(jìn)口軸承的損壞和零部件的損壞，節(jié)約了維修成本，購(gòu)買新的主軸需要20萬(wàn)元/臺(tái)，維修主軸的費(fèi)用約3.5萬(wàn)元/臺(tái)。
(6)保障產(chǎn)品質(zhì)量，砂輪主軸熱源的控制可有效提高其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，砂輪及電機(jī)主軸的運(yùn)行更加穩(wěn)定，精度更加平穩(wěn)，提高了工件的磨削精度，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到極大保障。
改造后的機(jī)床實(shí)際效果如圖4所示。
圖4 機(jī)床改造后實(shí)際效果圖
04 結(jié)論
通過(guò)分析、計(jì)算，對(duì)NILES系列磨齒機(jī)主軸電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造探索，改造后的冷卻系統(tǒng)能夠獨(dú)立對(duì)主軸電機(jī)進(jìn)行冷卻工作，避免了因長(zhǎng)期使用帶來(lái)的管路堵塞，導(dǎo)致電機(jī)損壞、精度降低造成磨削不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使機(jī)床運(yùn)行更平穩(wěn)，延長(zhǎng)了使用壽命�，F(xiàn)在齒輪加工精度能穩(wěn)定達(dá)到0．005mm，有效保證了各種高速列車齒輪的安全運(yùn)行，也大大減少了停機(jī)時(shí)間，原來(lái)的主軸正常使用壽命為4～6年，經(jīng)過(guò)改造后預(yù)計(jì)可以延長(zhǎng)3～5年，預(yù)計(jì)每年可以節(jié)約主軸電機(jī)維修成本12萬(wàn)元。該設(shè)計(jì)已申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型發(fā)明專利，今后可在同類NILES進(jìn)口磨齒機(jī)上推廣改造，實(shí)現(xiàn)全部國(guó)產(chǎn)化。
來(lái)源：《軌道交通裝備與技術(shù)》2020, (4)
