西安大醫(yī)集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心 西安 710016

1 研究背景

大規(guī)格軸承廣泛應(yīng)用于大型數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)、火炮、風(fēng)電、工程機(jī)械等行業(yè),多為立式布局。隨著這些行業(yè)的快速發(fā)展,立式回轉(zhuǎn)支承技術(shù)的應(yīng)用逐漸成熟。而大規(guī)格軸承在臥式回轉(zhuǎn)支承中的應(yīng)用較少,常見(jiàn)的有盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)回轉(zhuǎn)支承和螺旋斷層掃描機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承。盾構(gòu)機(jī)以動(dòng)力支承為主,對(duì)回轉(zhuǎn)精度要求較低。斷層掃描機(jī)以輕載高速運(yùn)動(dòng)為主,對(duì)分度精度也無(wú)較高要求。

國(guó)家對(duì)全民健康高度重視,對(duì)國(guó)產(chǎn)大型醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)支持力度不斷加大。大型放射治療是研發(fā)難度最大的一類(lèi)醫(yī)療設(shè)備,目前主導(dǎo)市場(chǎng)的是美國(guó)瓦里安、瑞典醫(yī)科達(dá)、美國(guó)安科銳等品牌,國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)基本被壟斷。大型放療設(shè)備屬于精密重型裝備,對(duì)安全性、精度、可靠性及使用壽命有嚴(yán)格要求。旋轉(zhuǎn)機(jī)架是主機(jī)支承部件,運(yùn)行精度、安全性、使用壽命直接決定了整機(jī)的使用壽命與精度。隨著放療技術(shù)的發(fā)展,為滿(mǎn)足精準(zhǔn)治療的需求,旋轉(zhuǎn)機(jī)架向滾筒式、高精度、一體化方向發(fā)展,大規(guī)格軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)架中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。圖1所示為兩款典型的大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架,為達(dá)到治療目的,需要采用臥式布局。研究大規(guī)格軸承在大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架中的應(yīng)用,對(duì)提高國(guó)產(chǎn)放療設(shè)備整機(jī)性能有積極意義。

圖1 大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架

2 大規(guī)格軸承分類(lèi)與特點(diǎn)

大型高端裝備的快速發(fā)展促進(jìn)了大規(guī)格軸承的需求及技術(shù)進(jìn)步,大規(guī)格軸承的典型應(yīng)用有大型數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)轉(zhuǎn)塔、盾構(gòu)機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)支承、兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱、礦山機(jī)械等。目前市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的大規(guī)格軸承種類(lèi)有交叉滾子軸承、推力向心軸承、四點(diǎn)接觸式球軸承、深溝球軸承、轉(zhuǎn)盤(pán)軸承等,其技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1[2-7]。

表1 大規(guī)格軸承分類(lèi)與特點(diǎn)

3 旋轉(zhuǎn)機(jī)架運(yùn)行工況分析

大型放療設(shè)備包括伽馬刀、醫(yī)用直線(xiàn)加速器、質(zhì)子加速器等,旋轉(zhuǎn)機(jī)架是主要功能部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)架多為重載運(yùn)行,治療頭在旋轉(zhuǎn)機(jī)架帶動(dòng)下對(duì)患者進(jìn)行輻射治療,治療頭中含有大量鉛合金、鎢合金,質(zhì)量一般達(dá)數(shù)千千克。若為質(zhì)子治療系統(tǒng),則質(zhì)量更是達(dá)到十萬(wàn)千克級(jí)別,回轉(zhuǎn)支承載荷大。

旋轉(zhuǎn)機(jī)架運(yùn)行時(shí)為低速運(yùn)行,潤(rùn)滑條件惡劣。大型放療設(shè)備應(yīng)用于患者治療,出于治療安全考慮,依據(jù)法規(guī),旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速很低。以伽馬刀為例,治療過(guò)程中,機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度通常慢于1 r/min,屬于極低速。部分設(shè)備受安裝線(xiàn)纜限制,不能連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而是進(jìn)行正反轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。低速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),軸承滾子和滾道之間很難形成彈流潤(rùn)滑膜,這使旋轉(zhuǎn)機(jī)架支承軸承潤(rùn)滑條件進(jìn)一步惡化。

支承軸承受輻照,潤(rùn)滑易失效。大型放療設(shè)備安裝在醫(yī)院機(jī)房,使用環(huán)境需要達(dá)到一定要求,一般為無(wú)塵、恒溫、恒濕環(huán)境。治療過(guò)程中,束流的散射會(huì)加速潤(rùn)滑脂老化,造成潤(rùn)滑脂提前失效,使軸承潤(rùn)滑條件更為惡化。

通過(guò)以上分析可見(jiàn),大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架中,回轉(zhuǎn)支承軸承面臨低速、重載、往復(fù)擺動(dòng)的特殊工況,并處于輻射環(huán)境之中。在過(guò)大的靜載荷或沖擊載荷作用下,套圈滾道與滾動(dòng)體接觸處的局部應(yīng)力會(huì)大于材料的屈服強(qiáng)度,導(dǎo)致滾道表面產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形,使軸承不能正常工作。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)需要解決軸承的主要矛盾,預(yù)防軸承滾道表面塑性變形、磨損及潤(rùn)滑不良。

4 回轉(zhuǎn)支承軸承受力及失效形式分析

大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架中,回轉(zhuǎn)支承軸承安裝位置不易拆卸,這對(duì)軸承的使用壽命及可靠性提出了嚴(yán)格的要求。通常要求支承軸承的使用壽命與整機(jī)使用壽命相同,不短于10 a。需要依據(jù)工況選擇合適的軸承類(lèi)型,對(duì)軸承失效形式進(jìn)行分析,基于合適的計(jì)算準(zhǔn)則,對(duì)軸承進(jìn)行設(shè)計(jì),以克服潤(rùn)滑條件不良所造成的失效風(fēng)險(xiǎn)。

回轉(zhuǎn)支承軸承所受載荷的大小、方向及性質(zhì)是選擇軸承類(lèi)型的主要依據(jù)。旋轉(zhuǎn)機(jī)架在運(yùn)行過(guò)程中,施加在回轉(zhuǎn)支承軸承上的載荷主要是重力。軸承主要承受由滾筒及負(fù)載重力所產(chǎn)生的徑向載荷、由軸向竄動(dòng)產(chǎn)生的軸向載荷,以及滾筒與負(fù)載綜合質(zhì)心偏離軸承支點(diǎn)所引起的傾覆力矩。

通常軸承外圈固定,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),因此作用在內(nèi)圈上的載荷為靜止載荷,作用在外圈上的載荷為旋轉(zhuǎn)載荷。當(dāng)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí),滾動(dòng)體隨之滾動(dòng),內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間的接觸位置不斷發(fā)生變換,接觸應(yīng)力隨接觸位置的不同而產(chǎn)生脈動(dòng)變化。滾動(dòng)體位于軸承上端時(shí),受載極小;位于下端時(shí),受載最大。對(duì)于采用雙軸承支承方案的旋轉(zhuǎn)機(jī)架,軸承受載以徑向?yàn)橹?以軸向?yàn)檩o。

接觸應(yīng)力和變形的計(jì)算是軸承性能分析的關(guān)鍵,軸承接觸應(yīng)力對(duì)軸承的疲勞壽命與額定靜載荷有重要影響。軸承滾動(dòng)體與滾道的接觸多為點(diǎn)接觸或線(xiàn)接觸,接觸載荷只作用在很小的接觸面上,這導(dǎo)致在接觸區(qū)域產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力。對(duì)于常規(guī)工況,軸承的失效形式主要是疲勞點(diǎn)蝕,應(yīng)按軸承的額定動(dòng)載荷進(jìn)行壽命計(jì)算。對(duì)于隨旋轉(zhuǎn)機(jī)架低速、重載、往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)行的回轉(zhuǎn)支承軸承,主要失效形式是塑性變形,應(yīng)按軸承的額定靜載荷進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算[8-9]。軸承兩種主要失效形式如圖2所示。

圖2 軸承主要失效形式

良好的潤(rùn)滑是軸承長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的前提,潤(rùn)滑不良,局部應(yīng)力增大,變形增大,造成接觸區(qū)域擠壓變形。尤其是在低速換向時(shí),滾動(dòng)體與滾道之間的稀薄油膜被進(jìn)一步撕裂,造成滾動(dòng)體與滾道直接接觸。潤(rùn)滑不良是造成重載低速軸承塑性變形的一個(gè)主要原因,在進(jìn)行軸承設(shè)計(jì)時(shí),潤(rùn)滑應(yīng)考慮采用包含極壓添加劑的潤(rùn)滑脂,增大潤(rùn)滑脂的附著力[10]。對(duì)于大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架,還需要考慮潤(rùn)滑脂的耐輻照能力。旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承軸承主要失效形式與原因見(jiàn)表2。

表2 旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承軸承主要失效形式與原因

5 應(yīng)用設(shè)計(jì)

某公司開(kāi)發(fā)了一款大型放療設(shè)備,采用滾筒式旋轉(zhuǎn)機(jī)架,機(jī)架進(jìn)行-275°～275°往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),最高轉(zhuǎn)速為1 r/min,旋轉(zhuǎn)滾筒及安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上的治療頭等載荷共計(jì)112.7 kN。旋轉(zhuǎn)機(jī)架采用雙軸承支承,以徑向受力為主,同時(shí)承受一定的傾覆力矩及軸向竄動(dòng)力。軸承選擇徑向承載為主的軸承,同時(shí)兼顧軸向承載。采用雙支承時(shí),傾覆力矩較小,可以忽略。根據(jù)對(duì)各類(lèi)大規(guī)格軸承承載及應(yīng)用工況的對(duì)比分析,確定旋轉(zhuǎn)機(jī)架采用大型深溝球軸承雙支承,要求軸承有較大的徑向游隙,以增大軸承的軸向承載力。軸承布局與受力分析如圖3所示,旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承軸承受載情況見(jiàn)表3,深溝球軸承選型設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 軸承布局與受力分析

表3 旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承軸承受載情況 kN

表4 大型深溝球軸承選型設(shè)計(jì)參數(shù)

表4中,P0、C0計(jì)算式分別為:

P0=X0Fr+Y0Fa

(1)

C0≥S0P0

(2)

為獲得較大的治療空間,大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架所需軸承的直徑較大,軸承的承載能力與尺寸規(guī)格成正比關(guān)系。在滿(mǎn)足安裝尺寸的前提下,所選用的軸承,其許用承載力遠(yuǎn)大于軸承的實(shí)際承受載荷。大型深溝球軸承免維護(hù),成本低,因此是比較合理的選擇。

6 結(jié)束語(yǔ)

大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機(jī)架屬于精密重型臥式回轉(zhuǎn)功能部件,轉(zhuǎn)速低,載荷重,運(yùn)行時(shí)主要為往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)架回轉(zhuǎn)支承軸承以承載徑向載荷為主,同時(shí)承受適量的傾覆力矩及軸向載荷。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架為雙支撐結(jié)構(gòu)時(shí),采用大型深溝球軸承雙支承完全能夠滿(mǎn)足回轉(zhuǎn)支承的要求。當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)架采用單軸承懸臂式布局時(shí),傾覆力矩大,軸向載荷占比增大,可以嘗試選用轉(zhuǎn)盤(pán)軸承,建議優(yōu)先選用三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤(pán)軸承。