树状气密封通道在石材雕铣电主轴上的瞬态流场研究

赵梓辰， 李颂华，2

（1.沈阳建筑大学机械工程学院， 辽宁 沈阳 110168；2.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室， 辽宁 沈阳 110168）

0 引言

石材雕铣电主轴具有结构紧凑、 配合紧密和转速较高等特点，是石材雕刻机床的核心部件，其性能的优劣直接决定了加工精度、加工效率和使用寿命。用于石材加工的雕铣电主轴由于长期处于潮湿的碱性加工环境， 主轴前端锈蚀严重，导致主轴加工精度下降、加工效率降低、使用寿命急剧缩短。 提高石材雕铣电主轴可靠性最直接的方法就是抑制主轴前端锈蚀。 本文主要采用设计主动密封结构的方法来抑制主轴前端锈蚀。

现有石材雕铣电主轴通常在主轴后端加工贯穿壳体的长孔，并在前轴承组的部位加工径向孔，将气体导入至轴体内，密封气体通过轴间缝隙从主轴前端或后端流出，这种传统气密封通道的密封效果足以满足大多数用途电主轴，但应用在石材雕铣电主轴上还略有不足。

因此本文主要对气密封通道的结构及作用位置进行创新设计。 优化树状通道网络的分布形式，提出一种直接应用在主轴前大盖上的树状气密封通道并构建三维模型；根据流体力学基本原理，建立了三维流体瞬态模型，并与传统气密封流场进行对比， 讨论并比较了两种气密封流场的流体分布状态并实验验证。

1 模型设计

在树状通道网络分布上， 研究人员们探索出了两种主要的结构，如图1 所示。 这两种树状结构的主要区别在于分支间的夹角。 图1（a）中分支角为90°的树状结构由Chen[1]构建；图1（b）中分支角为180°的树状结构由Yu[2]构建。

考虑到树状通道网络的应用位置和图1（a）中树状通道结构的分支角限制， 本文采用分支角为180°的树状通道结构。

想要生成图1（b）中所示的树状通道结构，其几何尺寸需要满足以下比例定律[3]：

其中h 为通道高度，本文取h=rm+1-rm，其中rm+1为通道外径；rm为通道内径。

图1（b）中的树状结构想要分布在前大盖上，就要在结构上进行调整。调整后的树状结构如图2 所示，可知通道按照分布方向可分为周向和轴向。

图1 两种树状结构Fig.1 Two tree-shaped structures

图2 调整后的树状结构Fig.2 After the adjustment of the treeshaped structure

周向通道长度用Lka表示（k 为正整数），Lka为弧长，包括La、L2a。 其横截面形状如图3（a）所示为矩形，Wka为周向通道的宽度。 弧长Lka对应的圆心角αka（k 为正整数）如式（6）所示：

式中：rmid为通道中心半径，rmid=（rm+1+rm）/2。

轴向通道长度用Lkb表示（k 为正整数），Lkb为线性长度，包括Lb、L2b。其横截面为扇环，如图3（b）所示，Wkb为轴向通道的宽度，扇环的圆心角βkb（k 为正整数）用式（7）表示：

图3 树状通道横截面形状Fig.3 Lateral section shape of the tree-shaped channel

式（8）保证了树状气密封通道在前大盖上能够充分分布且在最高分支处不发生重叠。

构建一个完整的树状气密封通道结构，如图4（a）所示，树状气密封通道省略了连接到主轴后端的直通道。由图4（a）可知，一个完整的树状气密封通道结构由三个完全相同的树状通道构成，树状通道间夹角为120°。一个树状通道由进气通道、出气通道和树状通道组成。树状通道均匀的分布在主轴前大盖外侧， 进气通道位于前大盖壳体内，出气通道均匀分布在前大盖壳体内侧最前端。带气道的前大盖与前大盖壳体配合关系如图4（b）所示。

图4 两种气密封通道结构Fig.4 Two kinds of gas sealed channel structure

将树状气密封通道与主轴前端各部件的间隙结合，构建树状气密封流场的完整结构如图4（c）所示。 同时构建传统气密封流场作为对照组如图4（d）所示。 树状气密封通道的具体结构参数如表1 所示。

表1 树状气密封通道结构参数Tab.1 Tree- shaped gas sealed channel structure parameters

2 数值计算

本文使用FLUENT，对树状气密封流场和传统气密封流场中的密封气体流动状态进行瞬态分析。两种气密封流场均分为气体区域、轴体区域和过渡区域。气体区域和过渡区域的材料均设置为空气；轴体区域材料设置为主轴轴体常用材料42 铬钼。求解时间选项设置为瞬态，轴体转速为1000rad/s，数值计算结果收敛至1×10-6。 对两种气密封流场进行网格划分，网格类型分别选择六面体、六面体核心和四面体。 仿真结果表明，瞬态流场分布状态与网格类型无关，网格独立性验证成功。 考虑到网格质量、网格数量和运算速度等因素的影响，本文采用六面体核心网格。

3 实验设置及结果讨论

将所设计的树状气密封通道应用在高速大切深花岗岩雕铣电主轴上， 并与应用了传统气密封通道的普通雕铣电主轴进行加工实验对比。 在相同的加工时长和加工环境下，对比应用了两种不同气密封通道的石材雕铣电主轴前端锈蚀情况，如图5 所示。 由图可知，采用树状气密封通道的电主轴前端只有轻微锈蚀，而采用传统气密封的电主轴前端锈蚀严重，如图5（b）所示。

图5 主轴前端锈蚀情况对比Fig.5 Corrosion situation of the spindle front part comparison

4 仿真结果讨论

4.1 树状气密封流场流体分布状态

本文取三分之一的树状气密封流场进行讨论，图6 为密封气体在树状气密封流场中流动状态。 可以看出，密封气体从进气通道流入树状气密封流场， 在流经树状通道时，密封气体经过一次分流后均匀的作用在主轴轴体上。密封气体绕过弹簧夹头螺母在雕铣刀刀柄上形成湍涡，获得了较高的流速，然后加速作用在雕铣刀刀尖上。绝大部分的密封气体作用在主轴前端，只有一小部分通过迷宫密封间隙进入主轴内部。

图6 树状气密封流场流体分布状态Fig.6 Tree-shaped gas sealed flow field distribution state

4.2 传统气密封流场流体分布状态

密封气体在传统气密封流场中的分布状态如图7 所示。从图中可以看出，密封气体从通道入口流入轴体内部以后，被前轴承组压紧盖和轴承挡圈挡住，主要作用在定转子与前大盖的间隙内， 密封气体在流场内分布极其不均匀。大部分密封气体穿过电机气隙从主轴后端流出，只有极少的密封气体能够通过轴承间隙作用到迷宫密封处，从主轴前端流出。

图7 传统气密封流场流体分布状态Fig.7 Conventional gas sealed flow field distribution state

5 结论

本文提出了一种应用在主轴前大盖上的树状气密封通道，并进行仿真和实验分析。 结果表明， 相比于传统气密封通道， 树状气密封通道的气体利用效率较高， 气密封效果更好，能够更有效的延缓主轴前端锈蚀。为石材雕铣电主轴的密封系统设计提供了一种可行性， 在提高石材雕铣电主轴可靠性，延长主轴寿命等方面具有广泛的应用前景。