伏宇璐 張學(xué)斌 丁偉文
（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇常州 213011）
摘 要：磨齒機是齒輪磨齒精加工的重要設(shè)備，但由于機床的主軸電機冷卻不充分會導(dǎo)致設(shè)備無法加工出滿足要求的齒輪零部件，為此有必要對主軸電機的冷卻機構(gòu)進行研究改造。
關(guān)鍵詞：NILES進口磨齒機；主軸電機；原理分析；改造
NILES磨齒機是德國進口的成型磨齒機設(shè)備，主要用于加工高鐵、動車、風(fēng)電以及地鐵車輛上的齒輪箱齒輪，磨齒機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，而砂輪主軸長時間高速運轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生大量熱量，熱量控制不好，就會降低砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)精度，嚴(yán)重時直接損壞主軸軸承和內(nèi)部零部件。目前每年都會有砂輪主軸因為散熱不好而需要進行修理的情況，2016～2018年共發(fā)生7起砂輪主軸報修，修理費用達22.5萬元。多年來廠家對這類設(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其使用壽命是迫切需要解決的問題。
01 造前冷卻結(jié)構(gòu)分析
針對上述問題，著重分析了目前磨齒機主軸電機冷卻的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)狀。目前，NILES磨齒機主軸冷卻采用的是外冷的方法(見圖1)，機床改造前如圖2所示。
圖1 改造前冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 機床改造前實際效果圖
砂輪主軸冷卻和工件磨削冷卻油是由同一個泵供給，總壓力為0.5MPa。工作原理為:磨削油泵抽油→油路分配器，通過分配器之后，一路到磨削區(qū)域?qū)ぜM行加工冷卻，另一路到砂輪主軸內(nèi)部對高速運行的主軸進行冷卻散熱，冷卻油在機床內(nèi)通過管道流回冷卻油箱。
02 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算
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)原來機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)確定冷卻泵的揚程Hp。冷卻系統(tǒng)工作時，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)品樣本或手冊中選擇相應(yīng)的冷卻泵。
根據(jù)儲油量要求計算油箱容量：原機床的主軸冷卻是和工件冷卻混合在一起的，儲油量為1400L，而新油箱容量要根據(jù)實際使用來制定，儲油量約為50L，一般油面的高度是油箱高h的0.8倍，V=0.8abh。得出需要油液的體積V，再通過公式換算成實際需要的油量大小，式中a為油箱的寬度，b為油箱的長度，h為油箱的高度。主軸電機的冷卻系統(tǒng)正常工作溫度是22～28℃。根據(jù)制冷產(chǎn)品手冊，選擇合適的制冷空調(diào)。
03 改造后結(jié)構(gòu)分析
機床改造后冷卻結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，分離后的主軸采用了獨立的冷卻油箱供油，油液通過空調(diào)冷卻系統(tǒng)使其溫度達到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)，然后油泵電機抽油冷卻，內(nèi)部循環(huán)后再流回主軸冷卻油箱。原來的冷卻機構(gòu)對電機的外部進行沖刷冷卻，這樣雙重冷卻使電機運行更加可靠，壽命更長，同時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 機床改造后冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
對電路部分進行改造，采用單獨供電模式，加裝機械過濾及檢測壓力報警裝置，并在機床系統(tǒng)中編入檢測報警程序，及時有效地監(jiān)控主軸電機的冷卻情況。
改造后的冷卻結(jié)構(gòu)具備以下優(yōu)點:
(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，使砂輪電機使用壽命延長3～5年，較原來提高了40%?
(4)降低了設(shè)備停機率，砂輪主軸電機更換一次需要2天，修理一次需要7天，購買全新主軸電機需要40天的周期，改造后設(shè)備的停機率降低了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、電機主軸進口軸承的損壞和零部件的損壞，節(jié)約了維修成本，購買新的主軸需要20萬元/臺，維修主軸的費用約3.5萬元/臺。
(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態(tài)穩(wěn)定性，砂輪及電機主軸的運行更加穩(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。
改造后的機床實際效果如圖4所示。
圖4 機床改造后實際效果圖
04 結(jié)論
通過分析、計算，對NILES系列磨齒機主軸電機冷卻系統(tǒng)進行了改造探索，改造后的冷卻系統(tǒng)能夠獨立對主軸電機進行冷卻工作，避免了因長期使用帶來的管路堵塞，導(dǎo)致電機損壞、精度降低造成磨削不穩(wěn)定的現(xiàn)象，使機床運行更平穩(wěn)，延長了使用壽命�，F(xiàn)在齒輪加工精度能穩(wěn)定達到0．005mm，有效保證了各種高速列車齒輪的安全運行，也大大減少了停機時間，原來的主軸正常使用壽命為4～6年，經(jīng)過改造后預(yù)計可以延長3～5年，預(yù)計每年可以節(jié)約主軸電機維修成本12萬元。該設(shè)計已申請國家實用新型發(fā)明專利，今后可在同類NILES進口磨齒機上推廣改造，實現(xiàn)全部國產(chǎn)化。
來源：《軌道交通裝備與技術(shù)》2020, (4)
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