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高速机械密封试验机用电主轴设计与c a d 摘要 机械密封在现代工业中得到广泛应用，随着技术的发展，对高速机械密封的 可靠性的要求也越来越高。实验技术是验证产品质量的可靠手段。 大功率高速密封实验机目前是一项空白。 文中探讨了机械密封的机理并进行了力能分析，依此为基础进行试验机用高 速电主轴的设计研究。 电主轴是高速机械的核心部件。在使用过程中不仅要承受工作负荷，同时还 要求在高速条件下具有良好的工作稳定性、满足高精度旋转的需要，还要求提供 足够的刚性满足工作的需要。文中研究了电主轴的设计、制造、装配、试验等技 术。 探讨了使用c a d 技术在电主轴开发中的应用，运用c a d 进行零件图纸的设计、 进行设计评估，提高设计的效率和可靠性：还对电主轴进行了三维立体图建模， 制作了装配的三维动画，用以指导生产。 关键词：机械密封试验机电主轴c a d d e s i g no fh i g hs p e e de l e c t r o - s p i n d l ef o rm e c h a n i c a ls e a l s t e s t i n g m a c h i n ea n dt h e a p p l i c a t i o no f c a d a b s t r a c t m e c h a n i t a ls e a l sh a se x t e n s i v eb e e nu s e si nm o d e m i n d u s t r y i th a sh i g h l y i m p o r t a n c ef o rt h er e l i a b i l i t yo ft h em e c h a n i c a ls e a l s i ti sae 币c a c i o u sm e t h o dt o v e r i f yt h e i rq u a l i t yb y t e s t e d h i g h - s p e e dh i g h - p o w e r m e c h a n i c a ls e a l st e s t i n gm a c h i n ei ss t i l lb l a c k i nt h i s p a p e r ，f i r s t l yw ed i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fm e c h a n i c a ls e a l s a n d a n a l y s i st h ef o r c e i ni t t h e nb a s e do nt h i s ，w ed e s i g nas m t a b l e e l e c t r o s p i n d l e a e l e c t r o s p i n d l e i st h ec o r e c o m p o n e n to fah i g h - s p e e dm a c h i n e w h i l e w o r k i n g ，i te n d u r e sw o r k i n gl o a d sa n dm u s tb e h a v ep e r f e c ts t a b i l i t yt om e e tt h en e e d o fh i g h - s p e e d w er e s e a r c h e dt h ed e s i g na n d m a c h i n i n ga n dp r o c e s sa n da s s e m b l y o fa e l e c t r o s p i n d l ei nd e t a i l s w eu s e dc a d t e c h n o l o g y t o d e v e l o p i n ge l e c t r o - s p i n d l e w ep e r f o r m e d t h e p a r a m e t r i cd e s i g no f t h et h er e p r e s e n t a t i v ec o m p o n e n t s b yu s i n gd c l a n da u t o l i s p l a n g u a g eo f t h ee l e c t r o - s p i n d l e n l es o l i dm o d e li sd e v e l o p e do ft h ee l e c t r o - s p i n d l e t o o t h r e e d i m e n s i o nd y n a m i cp e r f o r m a n c i n gw a sp u ti n t oe x e c u t i o nf o rg u i d i n g m a n u f a c t u r e k e y w o r d ：m e c h a n i c a ls e a l s t e s t i n ge l e c t r o - s p i n d l e c a d 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 杉 导师： 歹刀身， 独创性声明 本人声明所孚交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金鼹王些盍堂 或其他教育机构的学位或证恬而使用过的材 料。与我一同丁作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：话现乞签字日期：劢口v 年o 月f 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 月l 些厶堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：航 签字日期：加。晦i o 月l i e l 学位论文作者毕业后去r e ： 工作单位： 通讯地自l ： 导师签名 秒j 飞 签字日期：脚年l d 月如日 电话 邮编 致谢 研究生阶段的学习就要结束了，五年来，我学习了很多新的知识，拓宽了知 识的跨度，依靠学到的知识提高了自身的工作能力，十分感谢我所领导提供这样 的学习提高的机会，感谢在学习期间单位提供了优越的学习条件；更应该感谢合 肥工大各位辛苦的园丁。需要特别提及的是我的指导老师王卫荣教授和吴宗彦教 授，他们渊博的知识、严谨的治学作风，使我获益非浅，为我的学习倾注了大量 心血。在次表示深深的敬意和真挚的感谢 我的课题是在新的工作中完成的。在进行工作中，得到张朝煌教授、徐同申 教授、李中行教授的直接指导；也得到部门领导邱宪国充分信任和鼓励，也得到 同事们的帮助，促进了我技术的迅速提高。在次表示深深的敬意和真挚的感谢 我也感谢我的家人，没有他们的支持。我不可能完成我的学业。 再一次对曾经给我帮助的所有人和将要在论文答辩中给予我帮助老师表示 深深地感谢l 作者：田民 2 0 0 4 年3 月 1 1 电主轴技术 第一章概述 电主轴是一种新型的机械结构形式。这种结构大大简化了主传动的机械 结构，取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实 现了机械的“零传动”。这种主轴电动机和主机主轴“合而为一”的传动结 构形式，使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做 成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。其英文的称谓有多种，比如 e le c t r o s p i n d le 、m o t o rs p i n d l e 和m o t o r i z e ds p i n d e 。它是随着电气传 动技术( 变频调速技术、电动机矢量控制技术等) 的迅速发展而日趋完善。 由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”( h i g hf r e q u e n c y s p i n d l e ) 。由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”( d i r e c td r i v e s p i n d l e ) 。电主轴是一种智能型功能部件，具有转速高、功率大、高速运行 的可靠性和安全性等优点。 现代的高速电主轴是一种智能型功能部件，它的种类多，根据应用的行 业或者对象的不同分为数大类，并且各个生产企业有自己的分类方法。 电主轴是高速机械的核心部件，在使用过程中不仅要承受工作负荷，l 司 时还要求在高速条件下具有良好的工作稳定性、满足高精度旋转的需要，还 要求提供足够的刚性满足工作的需要，因而，对设计、加工的要求很高。 、电主轴的应用和组成 现代机械工业产品向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对丰h 关 机床提出了更高要求，催生了高速主轴单元技术。 主轴单元及驱动系统是一种技术含量很高的机电一体化产品，它本身涉 及机械、电机、驱动与控制、支承、润滑、材料热处理及振动等诸多领域， 是一套独立的、完整的功能部件，适于专业化、系列化生产。经过不断的发 展和完善，其应用领域遍及机床、轴承、电子加工、模具加工、生物工程及 医疗卫生、家电、国防军工和高科技等一切需要高速旋转和高速加工的行业， 已经成为组织现代化高效生产不可或缺的组成部分。 我国高速电主轴由磨用电主轴发展起来的，铣用电主轴是从8 0 年代末 开始研究，它不仅能加工各种形体复杂模具，而且开发了用于木工机械用的 风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电主轴在铣削中的应用。此外，食品工 业的固体饮料、染化行业的染料、医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用 高速离心干燥技术来生产，而高速离心干燥设备也需要高速电主轴。高速拉 辗电主轴的应用也促进了有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割 机用电主轴，促进了电子工业的设备更新和进步。利用高速电主轴的优良性 能，还可以用于开发多种高性能试验机。 电主轴的组成部件包括本身及其附件：主轴、高速电机、高频变频装置、 润滑装置、冷却装景、信号反馈系统等组成。见图i i 。 二、电主轴所融合的技术 图i - i 电主轴系统的典型结构 l 、高速轴承技术 电主轴是高速机械的心脏部件，在工作中既要不断高速、精密旋转又要 承受各种工作负荷和附加负荷。作为主轴支承系统的轴承，必须满足高速运 转的要求，又要具有较高的回转精度和较低的温升、可靠的径向和轴向刚度， 同时必须具有较长的使用寿命，特别是精度寿命。所以，轴承的选用、轴承 的性能对电主轴的研制极为重要。 滚动轴承具有刚性高、结构简单紧凑、标准化程度高、高速性能好、便 于维修更换等优点，在电主轴中得到广泛的应用。并且不断推出的新的品种 以满足不同、或者更为严格的需求。 电主轴通常采用精密高速角接触主轴轴承。随着轴承技术的发展复合陶 瓷轴承的使用越来越多，它具有耐磨耐热，寿命长，是传统轴承的几倍：电 磁悬浮轴承或静压轴承技术逐步得到发展，因为轴承的内、外圈不接触，理 论上轴承的使用寿命是无限的；目前该项技术在进一步完善发展中。 适当的预紧是角接触轴承正常工作的基础。为保证支承轴承的高速运转 性能和轴系的系统刚度，角接触球轴承在安装时必须旌加轴向预载荷才能正 常工作。预载荷的施加方式有刚性加载和弹性加载两种。轴承组合配对使用 时，刚性预载荷可以得到较大的支承刚性和轴向定位精度，但会较大的降低 轴承的极限转速。 轴承的组配可以满足各种不同的工作要求，在主轴的设计中可以根据工 况要求灵活使用。 2 、高速电机技术 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子作为主轴的旋 转部分，无论结构上、理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。 电机的转子用压配的方法安装在机床的主轴上，处于前、后支承轴承组 之间，由压配合产生的摩擦力来实现扭矩传递。如何实现在一定的空b j 中取 得需要的大功率输出，提高电机的单位体积的功率输出是设计的终极目标。 3 、关键制造技术 关键制造技术包括精密加工工艺的制订、关键零件的加工质量、装配技 术和高精度的动平衡技术。 动平衡一般是零件加工中的最后一道工序，但是必要时在主轴组装完成 后要做进一步的修整平衡。 4 、轴承润滑技术 电主轴的润滑技术和轴承技术具有同等重要的地位。润滑方法不同，轴 承工作时的发热和温升也不同。 电主轴的润滑般采用油雾或者油气润滑和脂润滑，应该根据不同的速 度、环境、载荷要求等进行综合研究后确定合理的润滑方式。 油雾润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入轴承工作区。油 量控制很重要，空气中含油太少，起不到润滑作用：含油太多，在轴承高速 旋转时会因油的阻力而发热。这种润滑方式的缺点对环境的污染较严重。 油气润滑技术是一种性能良好的润滑技术，用以取代油雾润滑。其特点 是气多油少。油气润滑系统的供油量可通过调接定量供油，得到最佳润滑油 量，极大减少轴承的发热，提高轴承的极限旋转速度。 油脂润滑，具有成本低、无须保养等优点，简化了主轴的设计；但是对 防护要求较高，并且在使用前进行跑合处理。 5 、冷却系统 电主轴中存在两个发热源：内置电机的发热和主轴轴承的发热，其中电 机是主要的发热源。 主轴内部的多余内部热量不仅影响电主轴和机床的性能，严重时会损坏 主轴轴承或者烧毁电机，必须控制主轴的温升。 为了有效给高速运行的电主轴散热，控制主轴的温升，通常在电主轴内 设计循环冷通路，利用冷却介质带走内部的热量。为了强化冷却效果，有时 需要在冷却回路中加装冷却装置，减小冷却介质的温度波动。 6 、信号反馈 对于有准停等特殊要求的电主轴，采用内置脉冲编码器对主轴的运转情 况进行检测并反馈到控制系统中，以实现准确的相角控制以及与进给的配 合。 7 、高频变频系统 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须采用高频变频装置 来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率、电荷参数必须达到电 机的使用要求。 目前，电主轴技术已经成为解决高速、大功率工作机械的最佳选择，在 一些工况条件下甚至是唯一的选择。 1 2 机械密封技术与实验技术 一、机械密封的用途和地位 机械密封主要由于泄漏率极低，被广泛接受用于液体介质的密封。在这 些地方，不仅要求主轴高速旋转，同时要求对带压液体的泄漏量进行控制。 数以百万计的机械密封在汽车冷却泵、家用洗衣机中，在化工、石化和造纸 工业中大多数流程泵中；在机械工程中，机械密封应用于机床、压缩机、齿 轮箱和搅拌机中。据资料，石化工艺装置机泵中有8 6 以上采用机械密封。 随着机械密封技术的发展，机械密封将占有更加重要的地位。 机械密封优点：起密封作用的端面在运行时几乎无磨损；可靠性高：使 用寿命长；密封气耗量小；功耗低：工艺回路无油污染；取消了庞大的密封 油供给及测控系统，占地面积小，重量轻；运行维护费低。 二、机械密封实用意义 机械密封技术虽然不是领先性技术，但却是决定性技术。这方面的大事 故有许多，比如美国挑战号航天飞机就是由于密封事故导致爆炸。 密封件虽然不大，只是一个零件，却决定机器设备的安全性、可靠性和 耐久性。在石化行业中，一旦发生泄漏，将导致停产或者爆炸事故。 机械密封在日常机泵、釜等设备维修工作中，工作量约占5 0 。通过实 际统计，机械密封的维修工作量几乎占石化企业维修量的5 0 左右。 随着企业不断开发高速、高压、大型等高附加值的机械密封产品，对产 品的质量的要求也逐步提高。机械密封产品的性能、可靠性试验成为必须， 试验装备的需求十分迫切。 1 3 机械密封件试验技术 一、机械密封实验技术的现状 实验在工程技术中占有十分重要的地位。目前工程实验技术得到大力发 展，一流的实验手段和措施，不仅是衡量企业研究能力的标志，也是开创优 质名牌产品，提高技术水平的保证。 对于机械密封行业同样如此。目前行业的试验手段有限到目前为止，国 内机械密封行业在高速、大功率、大扭矩实验机的开发方面基本上处于空白。 因此无论是密封试验机的开发和密封试验机用电主轴的研究具有非常重要 的现实意义。 二、实验机总体结构的分析研究 机床主轴组件是机床最重要的部件之一。不同性能和用途的机械具有不 同的机械结构，但都包含动力组件、工作头和传动组件组成，有的机械没有 中问传动装置，简化了机械结构，但这要受到结构和力能性能要求以及转速 等参数的制约。见图1 2 。 4 图卜2 机械的构造形式 1 一动力部分2 一工作机部分3 传动部分 一般的，机械传动装置的组成：传动元件( 带、齿轮等) 、轴承、转轴、 联轴器和壳体等。机械传动装置的选用是一项复杂的工作，需要综合考虑工 作机和动力机的工况及性能特点，满足使用要求的同时做到可靠方便，只有 经仔细分析对比才能作出合理的设计。 机械传动系统的设计首先是传动类型的选用。这是比较复杂的工作，需 要考虑动力机到工作机多方面的因素，也是设备整体设计的主要内容。 设计的依据是： ( 1 )工作机的工况和性能参数； ( 2 )动力机的性能及与动力机的匹配对传动机械特性的要求； ( 3 )经济性； ( 4 )是否符合安全和环保的要求( 减振、降噪) ； ( 5 )使用和控制方便、可靠。 综合对比后，根据试验机的高速性、大功率等特点，确定结合开发电主 轴技术来开发大功率、高速用于高速密封试验机。采用电主轴驱动技术是研 制高速密封实验机的最佳选择。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、响应快等优点，可以 减少齿轮传动，简化机床外形设计；系统转动惯量小，易于实现主轴定位、 准停：代替皮带或者齿轮等方式传动，解决了高速运转条件下打滑、振动和 噪音等难以解决的问题，是高速动力单元中一种理想结构。 利用高速电主轴技术开发机械密封实验机势在必行。要发展和应用高速 实验技术，首先必须有性能优良的高速实验机，而高速实验机的工作性能， 首先取决于高速主轴( 包括电主轴和试验主轴) 。 本文结合机械密封试验机的研制，结合电主轴的特点，研究试验机驱动 电主轴的设计要点，最终开发稳定可行的新型电主轴。解决了机械密封试验 中现存的普遍难题，填补了在大功率、高速试验装置中的空白。 1 4c a d 与现代设计、制造技术 面对激烈的产品市场竞争，企业总是在不断的寻找提高其产品竞争能力 的各种途径，对于具有同样功能的产品，决定其竞争力主要因素是速度、质 量和成本。缩短产品开发周期，提高产品质量和降低产品成本是产品开发的 基本要求。 d 一 一 _ 一 验旺艺资汁正式 一 样机馓工艺 时獬撕试科生产 酮 图1 3 传统开发方法和用c a d 的比较 ( i ) 传统的新产品开发方法( 2 ) 一般c a d 进行开发( 3 ) c a d c a e 方法进行开发 美国s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e r c hc o r p o r a t i o n 公司曾对c a d 设计与传统设计进行了比较，显示收效十分明显。见图卜3 。 c a d 技术的起源是以二维绘图为主要目标，科技人员可以利用计算机 二维绘图功能，实现“甩掉图板”，从繁琐的手工绘图中解放出来；即是在当 今的工程设计和c a d 应用工程中仍然是其的主要目标，也是c a d 技术最基 本功能。二维绘图目前仍占有相当大的比重。 从广义上讲，c a d 技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、 数据加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术的集成技术 都属于c a d 应用的范畴。 三维设计，装配设计，曲面设计，钣金设计，有限元设计，机构运动仿 真，注塑分析，数控加工等三维c a d c a m 功能，可以解决企业的三维设计， 6 虚拟设计与装配，机构运动分析，应力应变分析，钣金件的展开和排样等困 难，使企业走向真正的c a d 设计。 同时随着现代科学技术特别是计算机技术的发展，设计方法变得科学， 改变了传统的在大量经验数据基础上的直觉法、经验法设计模式，代之以仿 真计算设计。比如计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计和模拟设计等。 大大提高了设计的科学性和设计的质量。 在机床系统中，机床主轴是机床中的关键部件，历来是设计的重点。对 于高速轴系更是重中之重。在主轴高速旋转时，主轴轴承的d m n 值接近达到 轴承设计的极限，在这种苛刻的工作条件下，主轴轴承寿命成为制约产品质 量的瓶颈；主轴在高速运行是否可以稳定的运行，不仅涉及到设计因素，还 直接和加工质量有关，而设计是基础。 借助计算机进行高速和超高速轴系的分析设计，可以大大减轻人工计算 的工作量和提高计算的准确性。在轴系的设计阶段对轴系的转子动力学结构 特性、动态和静态力学性能进行设计、计算和评估，对轴系的性能进行预测、 分析，根据分析的结果再进一步进行优化设计，以取得理想的主轴设计结果。 通过这种设计方法，解决了以前只能在产品加工后进行实验来考核主轴性能 指标的唯一方法而一旦试验结果不能满足设计要求。只有修改设计，重薪 试制，造成的人力和物力的浪费，还大大延缓了新产品的研发周期，根本不 适应目前和将来快速多变的市场经济需要。 在本项目研究中，不仅利用计算机进行常规c a d 设计，还利用主轴一一 轴系计算软件进行轴系和主轴的动、静态分析，提高设计质量。 1 5 本课题的来源及主要研究内容 1 、课题的来源以及意义 在机械密封行业，实验手段不足无形中制约了产品的发展和市场竞争 力，如何得到令人信服的产品质量，必须通过实验验证。目前大功率、高速 实验机的研究开发基本处于空白。国内机械密封件企业急需高性能的实验设 备。通过对国内一些机械密封企业如：天津鼎铭、西安永华、丹东科隆等企 业的调研、联系，提出利用我所高速电主轴技术研究开发新型、实用的大功 率高速实验机。本课题就是在这个环境下产生的。 通过本课题的研究，不仅要针对用户产品的要求，开发并生产出符合用 户要求的机械密封实验机，填补高速、大型机械密封件实验设备和实验技术 的空白，促进相关企业的技术进步，提高产品的质量和可靠性，提高其产品 的市场竞争力。同时通过开发研究，研制并制造出新型实验机用电主轴，进 一步拓展电主轴的应用领域，促进电主轴技术的发展和企业效益的提高。 2 、本课题的主要工作 1 、结合机械密封的理论分析和力能分析，提出实验机结构，结合用户 要求确定需要的驱动参数； 2 、以实验机设计参数为目标进行高速、大功率高速电主轴的研制，同 7 时解决实验主轴的相关问题； 3 、进行电主轴和实验主轴的高速试验，针对实验中问题进行进一步改 进，优化实验机系统的配置与使用性能； 4 、利用c a d 辅助设计技术在电主轴设计、加工领域开展应用实践，提 高设计的质量。 s 第二章机械密封与机械密封实验技术 2 1 机械密封的结构与工作原理 2 1 1 机械密封的结构 旋转机械的密封界面有两种形式，如图2 - 1 所示。 图2 1 径向密封和机械密封的原理 从图2 1 ( 1 ) 可见，通过在两个径向相对的圆柱体表面之间的径向密封， 泄漏在这两个表面之间流过，这种密封结构称为径向密封；图2 1 ( 2 ) 可见， 通过由两个轴向相对平面形表面形成地轴向密封，泄漏出现在这两个端断之 间，这种密封称为轴向密封，又称为机械密封。机械密封克服了径向密封因 为使用速度和压力提高，由于大面积接触容易引发过热和反复拆装等因素容 易引发密封失效的缺点，得到迅速发展。 机械密封的典型结构见图2 2 。 9 圈2 - 2 机械密封的典型结构 图中：1 一一静环2 一一动环3 一一传动销4 一一弹簧5 一一弹簧座 6 一一固定螺钉7 一一转轴8 一一传动螺钉9 一一推环1 0 一一0 型圈 11 一 一防转销 图中可见，机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧 和介质压力与弹性元件压力的压紧从而达到密封的轴向端面密封装置，因而 又称为端面密封。 2 1 2 机械密封基本原理 从图2 2 中可见，构成机械密封的基本元件有：端面密封副( 静坏l 、动 环2 ) 、弹性元件( 比如弹簧4 ) 、辅助密封件( 如o 形密封圈1 0 ) 、传动件( 如 传动销8 和传动弹簧) 、防转件( 如防转销1 1 ) 和紧固件( 如弹簧座5 、推 环9 、压盖、固定螺钉6 和转轴7 ) 。 机械密封组成基本元件对于实现密封具有不同的作用和不同的要求： 1 、 端面密封副( 动环、静环)端面密封副的作用是通过密封面紧 密贴合，防止介质泄漏。它要求静、动环具有良好的耐磨性，动环在轴向可 以灵活的移动，自动补偿密封面的磨损，保持与静环之间良好的结合；静环 具有浮动性，起缓冲作用。为此，必须保证密封面具有良好的加工质量，提 高密封副之间的贴合性能。 密封面之一通常采用碳石墨材料，这种较软的端面较窄，称为鼻端，更 硬更宽的端面称为座面，使用的材料是金属、陶瓷或者金属陶瓷制成。 2 、弹性元件( 可能是弹簧、波纹管或者隔膜之一)它主要起预紧、 补偿和缓冲作用，要求始终保持足够的弹性来克服辅助密封和传动件的摩擦 l o 和动环的惯性，保证端面密封副良好的贴合以及动环的追随性。材料要求耐 腐蚀、耐疲劳。 3 、辅助密封( 0 、v 、u 、楔形圈、异形圈)它主要起到对静环和动 环的密封作用，同时也起到浮动和缓冲作用。要求静环的密封元件能够保证 静环和压盖之间的密封性同时使静环具有一定浮动性，动环的密封元件能 保证动环与轴或轴套之间的密封性和动环的浮动性。材料要求具有温度非敏 感性并能与介质相容。 4 、传动件( 传动销、传动环、传动座、传动键传动凸耳或牙嵌式联接 器) 它的作用是将轴的转矩传递给动环。材料要求耐磨、耐腐蚀。 5 紧固件( 紧固螺钉、弹簧座、压盖、组装套、轴套)它起到静环、 动环的定位、紧固作用。要求轴向定位准确，保证一定的弹簧压缩量，使密 封副的密封面处于正确的位置并保持良好的贴合；同时要求拆装方便、容易 就位、能重复使用。与辅助密封配合处，安装密封圈要有导向倒角和压缩量， 应特别注意动环辅助密封件与轴套配合处要求耐磨损和耐腐蚀，有必要时与 轴套配合处采用硬面覆盖。 6 、防转件( 防转销)它起到防止静环转动和脱出的作用。要求足够 的长度，防止静环在负压下脱出，并要求正确定位，防止静环随动环旋转。 材料要求耐腐蚀，在必要时中间可加入四氟乙烯套，以免损坏碳石墨静环。 静止时，端面密封副的补偿环和研磨环之间处于机械接触：当轴开始旋 转时，复杂的摩擦作用发生在端面和被密封的流体之间。机械密封的主要特 征是其控制密封功能、摩擦力、磨损和寿命的自动界面润滑机理。一切取决 于流体穿过接触界面建立润滑膜和在工作中的状态。当轴开始旋转时，被密 封液体在压力作用下穿过接触界面，流体压力持续下降直到与外部被压平 衡。该压力分布是界面流体压力的静压力分量。具有与流体静压力轴承相同 的承载功效。该分量取决于所施加的压差、滑动速度和界面间隙的形状变 化。在密封旋转时界面流体中动压力，具有流体动压轴承的特征。在正常条 件下流体动压力和液体静压作用下，在接触界面上得到使得接触面脱离的最 终开启力，并保持非接触状态。当开启力和闭合力偏离平衡时，端面的分开 自动适应。机械密封力学分析涉及到流体动力学、流体静力学、摩擦学、热 力学等知识。 2 1 3 机械密封的特点与技术指标 l 、机械密封的特点 ( i ) 泄漏量少 只要主密封面的表面粗糙度和平直度能保证达到要求、只要材料的耐磨 性好，机械密封可以达到很少泄漏量，甚至肉眼看不到泄漏。 ( 2 ) 寿命长 在机械密封中，主要磨损部分是密封摩擦副端面。因为密封端面的磨损 量在正常条件下不大，一般可以连续使用l 2 年，个别场合下可以用到5 1 0 年。 ( 3 ) 运转中不用调整 由于机械密封依靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合达到密封的目的，在 运转中自动保持接触，装配后不用调整压紧状态。 ( 4 ) 耐振性比径向密封好 一般在转速1 3 = 3 0 0 0 r m i n 下最大振幅不超过0 0 5 m m 。 ( 5 ) 使用速度高 pv 值是衡量密封能力的重要指标。机械密封可以采用平衡式密封、流 体静压型密封、流体动压型密封或多级组合式密封，使pv 值达到较高的数 量，可达到1 0 0 0 m p a m s ，并在不断提高。 2 、机械密封的缺点 ( 1 ) 机械端面密封的零件数目多，要求精密，结构复杂、拆装不便； 特别在安装方面比较困难拆装时要从轴端抽出密封环，必须把机器部分( 联 轴器) 或全部拆掉。 ( 2 ) 价格高：与软填料密封相比，机械密封的初期投资高。 3 、基于以上特点，与传统地旋转轴密封相比，采用机械密封具有的优 点： ( 1 ) 提高机器效率、降低能耗。 与填料密封相比，机械密封的泄漏通道极小，更主要的是在高速下产生 相当小的摩擦力，减少机器内耗、外耗和穿漏，提高机器容积效率；减少摩 擦损失，提高机器的机械效率：改变密封方式，提高机器或机组效率；改变 辅助系统，减少能耗。 具有轴向磨损自动补偿结构的机械密封，在使用过程中无需调节，可以 获得较高的使用可靠性、提高了设备的使用率。 ( 2 ) 节约原材料。 主要体现在：工艺流体的回收、流体的泄漏减小以及封油损耗的减小。 ( 3 ) 提高机器可靠性。 有效的密封防护，减少因为密封引发的设备故障提高整机的可靠性。 ( 4 ) 安全和环境保护。 流体泄漏不仅容易产生生产安全事故，还引发大气污染、水污染和生产 环境污染，危及公共和个人的安全。 4 、机械密封件的技术指标 主要的技术指标和目前的水平 单级压力1 0 。p a 3 5 m p a ： 使用温度低温深冷1 0 0 0 ： 最高转速5 0 0 0 0 r m i i 1 ： p v 值 1 0 0 0 m p a m s 。其中v 接触面平均线速度，p 端面比压。 泄漏量最小可到达3 ml h ( 液体密封) 2 2 机械密封工程分析 机械密封的设计计算所要确定的参数是选择试验用电主轴的重要依据 必须加以研究分析。 2 2 1 密封端面的状态分析 密封端面的接触状态参见图2 3 。 觞斓缃脏办_ 阱赫匿靴承 图2 3 机械密封的密封间隙中静压力和流体动压力的形成 机械密封的使用与接触端面的工作状态直接关联。 在静止状态，动环和静环之间无相对运动，处于机械接触状态。一旦主 轴开始旋转，在接触端面上出现复杂的运动，形成不周的摩擦学特征。 在被密封的介质在压力作用下穿过密封端面，流体的压力不断下降达到 外部背压的压力。液体的压力在密封端面的静压力具有流体静压轴承的相似 的作用和承载能力。该静压力分量的大小和分布状况取决于被密封介质和背 压的压差和接触界面的形状。当被密封压力变化时，静压力随之变化。在主 轴旋转时，在界面中会对其间的液体发生剪切作用，通过配合接触端面之间 的表面的变化产生新的压力场。新产生的压力场作为截面流体压力的动压力 分量具有和液体动压轴承相同的工作机理，同样具有轴向承载能力。浚分量 取决于滑动速度、界面间隙的变化以及液体的黏度。在动、静压力作用下， 接触端面脱开，在工作过程中处于非接触状态，在密封界面中形成一个液体 隔膜；特别强调的是在高速工作时。接触面必须处于全液膜状态。问隙的大 小根据不同的要求进行适当的控制。 2 2 2 闭合力的分析计算 在特定的机械密封设计时，确定闭合力是设计的重要内容：闭合力太高， 磨损加快且寿命短：当它太低时泄漏高而使设计失败。应详尽研究在密封 上的闭合力和开启力的来源及平衡等。参见图2 - 4 。 舀2 3 2 - 4 作用于密封环上的力 如图2 - 4 所示。补偿环在轴向可以移动：密封副在半径为r 。的圆柱形表 面滑动。可以确定被密封液体压力p 。所作用的有效作用面积a ；背压p ，的 作用面积为a 。= a a 。，其中a 为密封界面面积。作用在补偿环上的p a l 和盼a 。和弹簧力f s 所产生的轴向力迫使密封件面闭合。在暴露的表面上的 其他压力载荷被抵消和忽略。 弹簧力可被定义为特定的力一一弹簧比压p s = f s a 。在密封的滑动面上 有时因为转轴和腔体之间相对热膨胀和密封端面磨损存在一个剪切力。根据 滑动方向，摩擦力p 。从副密封传递到补偿环并对端面的闭合、开启产生影 响，其比压力为p 。= f o a 。 2 2 3 开启力的分析计算 密封端面中径向泄漏流体中流体的静压力的分布是从被密封压力p ，过 渡到环境压力p ：。压差为平均绝对压力用p 。表示，对于平行端面p 。= p 2 + 0 5 p 。平均相对压力为p 。一p 。= 0 5 p 。 不同的界面几何形状中压力的分布是不同的，参见图2 - 5 。当密封旋转 时，切向剪切流体与厚度交化相互作用以产生流体动压力，用p 。表示他的平 均绝对值。将流体静压力和流体动压力相叠加得到作用在界面面积a 上总平 均膜压力p f p 。+ p 。实际中，黏度和端面曲率半径的变化的影响通常都被忽 略。当平均膜压力不足以抵消特定的闭合力时将出现机械接触。这时润滑处 于边界区，残余接触力的和为对应于接触压力的机械接触力p 。= f c a 综上得到： p ：被密封流体的绝对压力( m p a ) ： p 。：密封外部的绝对压力( m p a ) p = p 。- p 。密封上压差( m p a ) p 。= p s 。+ p d 平均绝对膜压力( m p a ) 1 4 或 p f - p + p 。平均相对膜压力( m p a ) p 。= f c a 平均接触压力( m p a ) ( i ) 千i f 附 图2 5 接触界面的几何形状与压力分布 得到轴向平衡条件表达式： p i a l + p 2 a 2 + ( p 。p 。) 爿= ( p “+ p d + p 。) 4 ( 2 - 1 ) 叫l + p 2 a + ( p 。p 。) a = ( p + p 。) a ( 2 - 2 ) 2 2 4 启动扭矩计算 根据以上分析得到扭矩计算公式： t = o 5 7 r d 2 a b k s p f ( 2 - 3 ) 其中： d 平均端面直径( m m ) b 端面宽度( m m ) k 平衡系数k = h a p 为压差( m p a ) f 摩擦系数 公式的单位说明：所有的单位均采用国际单位。 2 3 机械密封件实验现状与试验机的设计 2 3 1 密封件实验技术的现状 j叫_习_ 蔓 j 吖， ，套胬矧湿黔、p睡隧嘲剃警 实验在工程技术中占有十分重要的地位。从提出解决问题的思路到设 计、研制及投入正式生产，包括许多实验环节。以机械产品为例，需要进行 的实验包括机构的模拟实验、关键技术和关键零部件及整机性能实验，台架 实验、生产使用实验甚至损坏零件的分析实验。目前工程实验技术得到火力 发展，一流的实验手段和措施，不仅是衡量企业研究能力的标志，也是丌创 优质名牌产品，提高技术水平的保证。 对于机械密封行业同样如此。目前行业的试验手段有限，采用的试验装 备普遍是采用普通电机一一皮带或者齿轮箱一一试验台的结构，这种试验技 术只能用于低速下产品的试验，不能在高速( 大于1 2 0 0 0 转分) 下进行试 验考核。 到目前为止，国内机械密封行业在高速、大功率、大扭矩实验机的开发 方面基本上处于空白 实验手段的匮乏，限制了企业产品的开发，直接造成产品竞争力的降低， 行业迫切需要进行高速、大扭矩实验机的开发。限于自身的条件，借助外界 的研发能力成为首选。 在今日市场经济日益完善的情况下，市场的竞争首先是产品质量的竞 争。生产者不仅要制造出后五个的产品，还要有一套质量保证、质量测试体 系，促进市场的开发和企业技术的进步。因此对所生产的产品进行工况模拟 试验以确保产品质量。密封试验机正是专门适应这一市场需求而开发的新产 品 2 3 2 实验机方案设计 一、设计方案应满足的要求 机床的主轴组件是机床最重要的部件之一。不同性能和用途的机械具有 不同的机械结构，但都包含动力组件、工作头和传动组件组成，有的机械没 有中间传动装置，简化了机械结构，但这要受到结构和力能性能要求以及转 速等参数的制约。 一般的，机械传动装置的组成：传动元件( 带、齿轮等) 、轴承、转轴、 联轴器和壳体等。机械传动装置的选用是一项复杂的工作，需要综合考虑工 作机和动力机的工况及性能特点，满足使用要求的同时做到可靠方便，只有 经仔细分析对比才能作出合理的设计。 台理的设计必须满足以下几个方面的要求： 1 、机械特性传动装置的机械特性要与动力机和工作机的机械特性相 匹配使机器在最佳状态下运行。 2 、工作功率不同的机械传动具有不同合理功率范围，应根据工作功 率的不同选用最合理的传动方式。 3 、速度随着技术的发展，各种传动装置的极限速度不断提高，考虑 经济性、发热、振动、噪音和离心力对传动效率的影响等因素，不同的传动 方式具有不同的合理的工作速度范围。如v 形带传动的最高工作速度为 2 5 3 0 m s ，可传递的有效效率随着圆周速度的增大而减小。 4 、传动的效率小功率传动，传动效率的高低的影响很小，但对于大 功率传动，传动效率对能源的消耗和运转费用的影响就显得举足轻重。在这 1 6 些场合，必须优先选择传动效率高的传动类型。 5 、寿命机械传动装置的寿命主要是疲劳寿命和磨损寿命。 6 、外形尺寸在相同的传动功率和速度下，不同的传动方式对传动装 置的外形尺寸影响巨大，在选用时必须同时考虑结构与空间的限制。 7 、重量：对于重量对整机影响较大的机械，必须满足对重量的限制要 求。 8 、变速要求变速方式有两种：无级变速、有级变速。不同的变速方 式各有优劣。也可以使用变频器进行变速控制。变频驱动的优点：节能，操 作方便，可以实现高速驱动、电源功率因数大，所需要的电容器小，可实现 电气制动以及高频率的启停，调速范围广等。目前这种拖动系统在工业领域 内得到广泛的应用。 密封件实验的要求：高速、大功率、大扭矩，在所用传统的传动方法中， 高速性、传递的大功率是严重的约束 综合对比后确定采用电主轴技术是研究开发大功率、高速用于高速密封 试验机驱动的电主轴，是研制高速密封实验机的最佳选择。 二、电主轴驱动优点 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、响应快等优点，可以 减少齿轮传动，简化机床外形设计；系统转动惯量小易于实现主轴定位、 准停：代替皮带或者齿轮等方式传动，解决了高速运转条件下打滑振动和 噪音等难以解决的问题，是高速动力单元中一种理想结构。 利用高速电主轴技术开发机械密封实验机势在必行。要发展和应用高速 实验技术，首先必须有性能优良的高速实验机，而高速实验机的工作性能， 首先取决于高速主轴( 包括电主轴和试验主轴) 。 2 3 3 试验机的结构组成 l 、试验机的结构。见图2 - 6 、2 - 7 、2 - 8 。 试验机包括四部分：台架、驱动轴、试验轴、高速连轴器。相应的需要 进行台架设计、驱动电主轴设计、试验主轴设计，以及高速联轴器的设计选 型。 台架设计由用户自行解决，试验轴的设计以一种典型产品为主，可以进 行多型号实验。试验主轴的典型结构如图所示。试验主轴和电主轴的设计制 造，具有共同的特征。文中进行综合研究。 图2 7 实验机整机外观 图2 - 8 试验机工作头简图 图2 - 9 试验主轴的结构图 2 、实验机的参数 最高转速：1 6 0 0 0 r m i n 额定功率3 3 k w 额定扭矩( 启动扭矩) 2 6 n m 3 、高速轴连接装置 普通的连轴器，无法达到试验机要求的高速度。本研究中采用余属叠片 挠性连轴器。 膜片联轴器是近年来国外广泛采用的新型联轴器，我国引进设备应用较 多。膜片联轴器能补偿主动机与从动机之问由于制造误差、安装误差、承载 变形以及温升变化的影响等引起的径向、轴向、和角向偏移。膜片联轴器属 金属弹性元件挠性联轴器，依靠金属膜片来联接主、从动机传递扭矩，具有 弹性减振、无噪声、不需润滑的优点，尤其适用于高温、重载、高速轴系的 传动。 联轴器选用的方法： 传递的功率p c = p x 每转功率值r = p c n 式中： p c 一一计算功率( k w ) p 一一传递功率( k w ) k 一工况系数 n 一传递转速( r m i i 1 ) 1 9 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 第三章试验机用高速电主轴的设计制造 3 1 电主轴驱动概述 3 1 1 电主轴传动实现零传动 不同性能和用途的机械具有不同的机械结构，但都包含动力组件、工作 头和传动组件组成，有的机械没有中间传动装置，简化了机械结构，但这要 受到结构和力能性能要求以及转速等参数的制约。 随着电气传动技术( 变频调速技术、电动机矢量控制技术等) 的迅速发 展和日趋完善，高速数控机械的主传动结构已经得到加大的简化，基本上取 消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机械 的“零传动”。这种主轴电动机和主机主轴“合而为一”的传动结构形式， 使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做成“主轴 单元”，通常称为“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、 功率大，还有一系列控制主轴温升和振动等运行参数的功能，以确保高速运 行的可靠性和安全性。 电主轴是由主轴箱体、轴承、带有冷却和电机反馈的内装主轴电机等组 成。设计时需要确定使用何种形式的轴承和何种润滑方式，以及轴承的预加 负荷等，均取决于机械主轴的结构，如何使用和主轴担负的工作。电机反馈 是检测转子的位置和讯号它的传送是用于控制速度和主轴定位 现在，高速电主轴已经称为一种机电一体化的高科技产品，形成了一些 专业化、技术水平很高的工厂。国外比较著名的电主轴生产厂家主要有：瑞 士的f i s c h e r 公司、i b a g 公司和s t e p u p 公司，德国的g m n 公司和f a g 公司， 美国的p r e c i s e 公司，意大利的g a m f i o r 公司和f o e m a t 公司、日本的n s k 公司和k o y o 公司；在台湾产量比较大的有普森；中国大陆比较大的企业有 无锡、洛阳、安阳数家。 专业化的公司不仅提供各种标准或为特定用户制作的电主轴外，一些电 动机或控制设备公司如德国的i n d r a m a t 公司和s i m e n s 等，提供散装式的主 轴电动机，