CN220084336U - 一种复合磨床电主轴性能测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机械设备技术领域，具体涉及一种基于导流式油气供油的磨床电主轴润滑性能测量装置，将导流式油气供油技术应用到复合磨床电主轴上，将电主轴、扭矩传感器和磁滞制动器串联起来，对轴承力矩进行实时测量，通过在轴承上增设温度传感器，实时测量电主轴在实际工作中轴承的温升，对力矩和温升的测量数据进行分析，评估供油结构、供油参数和电主轴的服役性能，并建立供油结构和供油参数与电主轴使用性能之间的关系，获取电主轴高转速、长寿命服役的优化参数；其结构简单，原理科学可靠，将导流式油气供油单元耦合到复合磨床电主轴上，采用温度传感器和扭矩传感器对电主轴支撑轴承的温升和力矩进行实时测量。

Description

一种复合磨床电主轴性能测量装置

技术领域：

本实用新型属于机械设备技术领域，具体涉及一种基于导流式油气供油的磨床电主轴润滑性能测量装置，对优化电主轴设计和产品升级具有重要意义。

背景技术：

电主轴作为数控机床高新技术之一，在结构与功能方面将机床主轴与电机融为一体，实现了主轴系统的“零传动”，具备机械主轴不可替代的优越性，已经成为最适宜高性能数控机床的核心功能部件。滚动轴承作为电主轴的支撑部件，其润滑性能对电主轴的极限转速及整体服役性能具有至关重要的作用。滚动轴承的润滑性能与其润滑方式紧密相关，尽管传统的脂润滑方式具有简单易用和免维护的优点，但是，在较高转速时会产生润滑不良和发热量大的问题，严重制约电主轴的转速提升与服役寿命。例如，复合磨床用电主轴，在转速达到12000-15000rpm的区间内时，因为润滑脂分油不足而导致滚动轴承乏油润滑，使得滚动轴承的温升急剧增加，进而引起润滑脂蒸发，在这种恶劣工况下，滚动轴承极易因润滑失效而过早损坏，对损坏的滚动轴承样品进行观测，发现其滚道已明显变色，表明是由典型的润滑不良导致的。

油气润滑技术克服了传统润滑方式的不足，可以定时、定点、定量地对滚动轴承进行润滑，使零部件的磨损降至最低，且在节能降耗和环境友好方面独具优势，进而取代传统润滑方式在电主轴润滑中得到了广泛应用。油气润滑的供油特点是以高压空气为载体，在高压空气运动过程中带动附着在管壁上的少量油滴输运，润滑油以微小连续油滴的方式“喷”到润滑点处。在油气润滑方式下，滚动轴承润滑效果不仅与供油量相关，还受到供油方式的影响，其中，喷嘴结构的设计对润滑剂的输运和滚动轴承润滑状态的影响较大。现有技术中已有的研究表明喷嘴结构设计对滚动轴承腔内的润滑剂流动和温度场分布存在影响，但是，这些研究多限于数值仿真，缺少试验验证和工程推广。例如，中国专利202310036881.1公开的一种内外圈旋转下的中介轴承润滑结构的润滑性能观测试验装置，包括内圈驱动系统、外圈驱动系统、中介轴承系统、喷油系统、回油系统、测温系统、中介轴承套筒支撑系统、观测系统、箱体和试验台底座；内圈驱动系统、箱体和观测系统依次安装于试验台底座上；箱体包括箱体左端盖、壳体和箱体右玻璃端盖；壳体为上下分体式结构，安装于试验台底座上，其两端分别连接箱体左端盖和箱体右玻璃端盖；中介轴承系统、回油系统、测温系统、中介轴承套筒支撑系统均安装于箱体内部；壳体顶端设有缺口用于固定外圈驱动系统；箱体左端盖上部钻有通孔用于连接喷油系统，运输润滑油；箱体右玻璃端盖用于观察壳体被测轴承各接触面间的运动状态；内圈驱动系统主要由电机底座、伺服电机a、联轴器a、支撑轴承座系统和阶梯主轴组成；阶梯主轴一端通过联轴器a与伺服电机a连接，另一端连接中介轴承的内圈；阶梯主轴上安装支撑轴承座系统，支撑轴承座系统通过T型工作台固定在试验台底座上；伺服电机a通过电机底座固定于试验台底座上；伺服电机a通过联轴器a传递扭矩至阶梯主轴从而带动中介轴承的内圈旋转；支撑轴承座系统包括深沟球轴承a、轴承座a、压盖a和套筒；轴承座a套于阶梯主轴上，二者存在间隙；轴承座a两端固定压盖a；轴承座a与阶梯主轴的间隙内安装两深沟球轴承用于定位支撑阶梯主轴，限制阶梯主轴的轴向窜动并且承受阶梯主轴的主要载荷，防止其发生大挠度变形；阶梯主轴上的两深沟球轴承a间安装套筒，用于轴向固定深沟球轴承a；外圈驱动系统主要由伺服电机b、联轴器b、电机支架、法兰盘、齿轮轴、主动锥齿轮、深沟球轴承b、轴承套筒、轴承座b和压盖b组成；伺服电机的输出轴依次与联轴器b、齿轮轴和一对主动锥齿轮连接；主动锥齿轮与焊接于中介轴承套筒上的从动锥齿轮啮合，中介轴承套筒位于中介轴承的外圈外侧，且与其过渡配合；齿轮轴上套有轴承座b，二者间存在间隙；轴承座b与压盖b形成封闭空间；封闭空间内自外向内依次套装轴承套筒和两个深沟球轴承b；轴承座b端部穿过壳体的缺口，且其侧面通过法兰盘固定于壳体上；伺服电机通过电机支架固定于壳体上；伺服电机通过联轴器将扭矩传递至齿轮轴，齿轮轴带动主动锥齿轮旋转，进而使中介轴承套筒旋转，最终带动中介轴承的外圈旋转；中介轴承系统主要由偏心盘、中介轴承和液压盖组成；中介轴承的内侧与液压盖固定连接，液压盖压紧中介轴承的内圈防止其发生脱落和窜动；中介轴承的外侧安装偏心盘，偏心盘卡接于中介轴承套筒上设置的凹槽里，随着中介轴承套筒的旋转为中介轴承传递离心载荷以此模拟中介轴承的工作环境；喷油系统主要由环下侧喷管道、管道盖、环下收油环和锁紧螺母组成；环下侧喷管道焊接于箱体左端盖，其与箱体左端盖的通孔连通；环下侧喷管道包括环下管道和侧喷管道，两管道一端设置带有管道盖的润滑喷嘴；环下收油环通过锁紧螺母固定于阶梯主轴外侧，环下管道的润滑喷嘴位于环下收油环上方，环下收油环的油槽过阶梯主轴连通中介轴承底部的进油孔；侧喷管道的润滑喷嘴位于中介轴承的转动体一侧；回油系统主要由左侧回油系统、右侧回油系统、油屑传感器和流量传感器组成；左侧回油系统位于中介轴承一侧，其左侧漏油管道内嵌于箱体底部后由箱体左端盖伸出，用于收集从中介轴承一侧反弹甩出的润滑油；右侧回油系统位于中介轴承另一侧，用于收集从中介轴承另一侧喷射出的润滑油；右侧回油系统包括温度传感器管道、挡油环、从动锥齿轮、中介轴承套筒、过孔式气电滑环、回油管和螺旋U槽；螺旋U槽内嵌于中介轴承套筒中，其一端承接从中介轴承另一侧喷射出的润滑油，另一端依次连接回油管和过孔式气电滑环的旋转端，过孔式气电滑环固定在中介轴承套筒外侧，且与从动锥齿轮存在间距，保证从动锥齿轮的正常运转；过孔式气电滑环的静止端与右侧漏油管道连接；右侧漏油管道内嵌于箱体底部后由箱体右玻璃端盖伸出；挡油环固定于中介轴承套筒内侧，其位于回油管一侧，阻挡从中介轴承另一侧喷射出的润滑油，令润滑油集中到下方的回油管中；漏油管道上依次布置流量传感器和油屑传感器，用于测量中介轴承两侧的润滑油流量与磨损情况；温度传感器管道布置于中介轴承套筒的筒壁中，其包括竖直通孔和水平孔；测温系统包括左侧温度传感器和右侧温度传感器；左侧温度传感器一端连接中介轴承外圈一侧，另一端过温度传感器管道的水平孔连接至过孔式气电滑环的旋转端；右侧温度传感器一端连接中介轴承外圈另一侧，另一端过温度传感器管道的竖直通孔连接至过孔式气电滑环的旋转端；左侧温度传感器和右侧温度传感器分别采集中介轴承外圈两侧的温度对比数据；过孔式气电滑环的静止端连接外数据线，输出温度；被测轴承套筒支撑系统包括深沟球支撑轴承、支撑轴承座和液压盖；深沟球支撑轴承与中介轴承套筒采用基孔制方式过盈配合；支撑轴承座套于深沟球支撑轴承外，与箱体固定连接；支撑轴承座和深沟球支撑轴承间固定液压盖，液压盖内部压紧中介轴承套筒，进而放置中介轴承的外圈发生脱落和窜动；观测系统包括同轴光源、CCD高速摄像机和观测底座；观测底座通过“几”型工作台与试验台底座连接；同轴光源与CCD高速摄像机依次固定于观测底座上；同轴光源将发散的光线聚拢，CCD高速摄像机实现对工作过程中被测轴承润滑情况的图像采集。中国台湾专利086105886公开的结合有润滑系统之滚动轴承性能测试装置，由负荷段、测试段、连结段、动力段及底座组成，其中，负荷段以一调整螺栓改变盘形弹簧压缩量，形成一可变轴向负荷机构作用于测试轴承；测试段内含测试轴承并装设热电偶及摩擦扭矩感测机构，量测轴承外环温度及摩擦扭矩；测试段外围有一保护衬套，内有润滑喷嘴装设孔及喷嘴垫块，可依不同润滑系统及实际测试需要装设及改变喷嘴数目及喷嘴出口位置；连结段内有一旋转主轴，两端分别与动力段及测试段结合，用来传递旋转动力及带动轴承旋转，功能包括可调整测试轴承之轴向负荷及润滑方式，及量测轴承温升及摩擦扭矩，可提供测试轴承在不同轴向负荷、转速与润滑条件下之性能分析。

如何将滚动轴承润滑新技术与电主轴匹配融合，对提升电主轴极限转速和限寿问题至关重要。针对传统润滑方式下复合磨床电主轴在应用过程中的局限性和技术升级需求，研发设计一种油气润滑的复合磨床电主轴性能测试装置，将油气润滑供油结构和参数与真实服役状态下的电主轴性能相关联。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种复合磨床电主轴性能测量装置，将电主轴、磁滞制动器、温度和扭矩传感器相耦合，对电主轴的支撑轴承的温升和力矩进行实时同步测量。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的一种复合磨床电主轴性能测量装置的主体结构包括电主轴、扭矩传感器和磁滞制动器，以及电主轴两个端部设置的温度传感器；电主轴与扭矩传感器和扭矩传感器与磁滞制动器分别通过联轴器连接。

本实用新型涉及的电主轴的主体结构包括壳体及其设置的回转主轴和供油单元，以及回转主轴两个端部分别设置的一组轴承，供油单元包括壳体内壁上部设置的进油管道和下部设置的出油管道，进油管道和出油管道分别与轴承连接，且进油管道与轴承之间设置有喷嘴。

本实用新型涉及的电主轴通过上夹具和下夹具固定于操作台上，扭矩传感器和磁滞制动器分别通过安装座固定于操作台上，操作台的四个角部设置有支撑螺钉；进油管道具有进油口，出油管道具有出油口，每组轴承的数量为2，喷嘴具有导流纤维。

本实用新型涉及的操作台具有承载和固定作用；电主轴同时为动力单元和被测量单元；扭矩传感器同时承受电主轴的驱动和磁滞制动器4的负载，用于实时测量轴承的滚动力矩；磁滞制动器提供不同大小的负载扭矩，用于模拟电主轴的实际工况；支撑螺钉具有支撑和调节操作台水平度的作用；上夹具和下夹具配合将电主轴固定在操作台上；温度传感器用于实时测量电主轴在不同工况下轴承运行过程的温升；联轴器用于传递扭矩；回转主轴由轴承支撑；轴承同时为测量轴承；喷嘴内置入导流纤维，对润滑剂进入轴承起到引导和增强输运的作用。

本实用新型涉及的一种复合磨床电主轴性能测量装置使用时：

首先，油气混合物由进油口进入供油管道后通过喷嘴为轴承供油，从轴承逸出的润滑油经过出油管道由出油口排出电主轴；

然后，磁滞制动器通过张力控制器驱动控制转矩，根据电主轴输出扭矩的变化动态改变制动力，施压与电主轴真实运行工况相匹配的载荷，扭矩传感器和温度传感器分别测量轴承的滚动力矩和温度；

最后，根据扭矩传感器的输出信号判断电主轴在不同运行工况下的输出功率，分析效率损耗的原因，从而针对电主轴的不同工况制定相应的润滑方案。

本实用新型与现有技术相比，将导流式油气供油技术应用到复合磨床电主轴上，将电主轴、扭矩传感器和磁滞制动器串联起来，对轴承力矩进行实时测量，通过在轴承上增设温度传感器，实时测量电主轴在实际工作中轴承的温升，对力矩和温升的测量数据进行分析，评估供油结构、供油参数和电主轴的服役性能，并建立供油结构和供油参数与电主轴使用性能之间的关系，获取电主轴高转速、长寿命服役的优化参数；其结构简单，原理科学可靠，将导流式油气供油单元耦合到复合磨床电主轴上，采用温度传感器和扭矩传感器对电主轴支撑轴承的温升和力矩进行实时测量，将油气润滑供油结构和参数与真实服役状态下的电主轴性能相关联，为电主轴设计、研发和测试提供强有力的支持。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的电主轴的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种复合磨床电主轴性能测量装置的主体结构如图1所示，包括操作台1、电主轴2、扭矩传感器3、磁滞制动器4、支撑螺钉5、上夹具6、下夹具7、温度传感器8、安装座9和联轴器10；矩形板状结构的操作台1上设置有电主轴2、扭矩传感器3和磁滞制动器4，四个角部设置有支撑螺钉5，电主轴2通过上夹具6和下夹具7固定于操作台1上，两个端部分别设置有温度传感器8，扭矩传感器3和磁滞制动器4分别通过安装座9固定于操作台1上，电主轴2与扭矩传感器3和扭矩传感器3与磁滞制动器4分别通过联轴器10连接。

本实施例涉及的电主轴2的主体结构如图2所示，包括壳体21、进油口22、进油管道23、出油口24、出油管道25、回转主轴26、轴承27、导流纤维28和喷嘴29；壳体21的内壁上部设置有具有进油口22的进油管道23，下部设置有具有出油口24的出油管道25，壳体21的内部设置有回转主轴26，回转主轴26的两个端部分别设置有一组轴承27，每组轴承27的数量为2，进油管道23和出油管道25均分别与轴承27连接，进油管道23与轴承27之间设置有具有导流纤维28的喷嘴29。

本实施例涉及的两个温度传感器8分别与最外端的轴承27的外圈直接接触，位于前端的轴承27的后部和位于后端的轴承27的前部分别与喷嘴29连接。

本实施例涉及的一种复合磨床电主轴性能测量装置测量复合磨床电主轴性能的具体工艺过程如下：

1)清洗：

首先，将轴承26中旧的润滑油清理掉；

然后，用毛刷或者布块蘸取适量的石油醚对轴承26进行清洗后，用无水乙醇进行冲洗，清洗过程中不得转动轴承26，以免杂质进入轴承26的滚道；

最后，使用干净的软布擦干轴承26，置于清洁的木板或纸张上，检查轴承26的状态是否符合使用要求，避免用手直接触摸轴承，防止轴承26沾上汗水而被锈蚀；

2)装配

首先，通过联轴器10将通电后正常运转的电主轴2、扭矩传感器3和磁滞制动器4连接；

然后，将电主轴2、扭矩传感器3和磁滞制动器4固定在操作台1；

最后，通过间隙垫片使电主轴2、扭矩传感器3和磁滞制动器4的同轴度达到最佳状态；

3)检测

首先，打开空压机，待气压达到3bar后打开阀门，开始供油；

然后，检查壳体21的密封处有无渗油现象；

最后，观察出油管道25是否有油气流出，以确定供油单元的畅通；

4)调试

打开扭矩传感器3，观察轴承26的扭矩示数和温度示数是否正常并进行调试；

5)供油

为轴承26连续供油半小时，使高压空气排出轴承26内的杂质，对轴承26进行初步润滑，再使电主轴2在空载和低速条件下运行半小时，对轴承26进行充分润滑；

6)测试。

设定供油参数和工况参数后，为电主轴2供电，通过扭矩传感器3和温度传感器8采集轴承26的滚动力矩和温升测量数据并保存；

7)分析

通过作图方式对测量数据进行分析，建立供油参数、工况参数与测量数据之间的关系曲线，分析其变化规律和内在机理，获取优化参数和评估电主轴2的服役性能。

Claims (8)

1.一种复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,主体结构包括电主轴、扭矩传感器和磁滞制动器，以及电主轴两个端部设置的温度传感器；电主轴与扭矩传感器和扭矩传感器与磁滞制动器分别通过联轴器连接。

2.根据权利要求1所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,电主轴的主体结构包括壳体及其设置的回转主轴和供油单元，以及回转主轴两个端部分别设置的一组轴承，供油单元包括壳体内壁上部设置的进油管道和下部设置的出油管道，进油管道和出油管道分别与轴承连接，且进油管道与轴承之间设置有喷嘴。

3.根据权利要求2所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,电主轴通过上夹具和下夹具固定于操作台上，扭矩传感器和磁滞制动器分别通过安装座固定于操作台上，操作台的四个角部设置有支撑螺钉；进油管道具有进油口，出油管道具有出油口，每组轴承的数量为2，喷嘴具有导流纤维。

4.根据权利要求2或3所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,两个温度传感器分别与最外端的轴承的外圈直接接触，位于前端的轴承的后部和位于后端的轴承的前部分别与喷嘴连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,电主轴同时为动力单元和被测量单元。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,扭矩传感器同时承受电主轴的驱动和磁滞制动器的负载。

7.根据权利要求2-3中任一项所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,回转主轴由轴承支撑。

8.根据权利要求2-3中任一项所述的复合磨床电主轴性能测量装置，其特征在于,轴承同时为测量轴承。