西安大醫(yī)集團有限公司 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)控機床、雷達、火炮、風電、工程機械等行業(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,常見的有盾構(gòu)機刀盤回轉(zhuǎn)支承和螺旋斷層掃描機旋轉(zhuǎn)機架回轉(zhuǎn)支承。盾構(gòu)機以動力支承為主,對回轉(zhuǎn)精度要求較低。斷層掃描機以輕載高速運動為主,對分度精度也無較高要求。

國家對全民健康高度重視,對國產(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)難度最大的一類醫(yī)療設(shè)備,目前主導(dǎo)市場的是美國瓦里安、瑞典醫(yī)科達、美國安科銳等品牌,國內(nèi)高端市場基本被壟斷。大型放療設(shè)備屬于精密重型裝備,對安全性、精度、可靠性及使用壽命有嚴格要求。旋轉(zhuǎn)機架是主機支承部件,運行精度、安全性、使用壽命直接決定了整機的使用壽命與精度。隨著放療技術(shù)的發(fā)展,為滿足精準治療的需求,旋轉(zhuǎn)機架向滾筒式、高精度、一體化方向發(fā)展,大規(guī)格軸承在旋轉(zhuǎn)機架中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。圖1所示為兩款典型的大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機架,為達到治療目的,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)機架中的應(yīng)用,對提高國產(chǎn)放療設(shè)備整機性能有積極意義。

圖1 大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機架

2 大規(guī)格軸承分類與特點

大型高端裝備的快速發(fā)展促進了大規(guī)格軸承的需求及技術(shù)進步,大規(guī)格軸承的典型應(yīng)用有大型數(shù)控機床轉(zhuǎn)臺、雷達轉(zhuǎn)塔、盾構(gòu)機旋轉(zhuǎn)刀盤支承、兆瓦級風電齒輪箱、礦山機械等。目前市場上應(yīng)用廣泛的大規(guī)格軸承種類有交叉滾子軸承、推力向心軸承、四點接觸式球軸承、深溝球軸承、轉(zhuǎn)盤軸承等,其技術(shù)特點見表1[2-7]。

表1 大規(guī)格軸承分類與特點

3 旋轉(zhuǎn)機架運行工況分析

大型放療設(shè)備包括伽馬刀、醫(yī)用直線加速器、質(zhì)子加速器等,旋轉(zhuǎn)機架是主要功能部件。旋轉(zhuǎn)機架多為重載運行,治療頭在旋轉(zhuǎn)機架帶動下對患者進行輻射治療,治療頭中含有大量鉛合金、鎢合金,質(zhì)量一般達數(shù)千千克。若為質(zhì)子治療系統(tǒng),則質(zhì)量更是達到十萬千克級別,回轉(zhuǎn)支承載荷大。

旋轉(zhuǎn)機架運行時為低速運行,潤滑條件惡劣。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,治療過程中,機架旋轉(zhuǎn)速度通常慢于1 r/min,屬于極低速。部分設(shè)備受安裝線纜限制,不能連續(xù)回轉(zhuǎn)運動,而是進行正反轉(zhuǎn)往復(fù)運動。低速往復(fù)運動時,軸承滾子和滾道之間很難形成彈流潤滑膜,這使旋轉(zhuǎn)機架支承軸承潤滑條件進一步惡化。

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

通過以上分析可見,大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機架中,回轉(zhuǎn)支承軸承面臨低速、重載、往復(fù)擺動的特殊工況,并處于輻射環(huán)境之中。在過大的靜載荷或沖擊載荷作用下,套圈滾道與滾動體接觸處的局部應(yīng)力會大于材料的屈服強度,導(dǎo)致滾道表面產(chǎn)生過大的塑性變形,使軸承不能正常工作。因此,在設(shè)計時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)機架中,回轉(zhuǎn)支承軸承安裝位置不易拆卸,這對軸承的使用壽命及可靠性提出了嚴格的要求。通常要求支承軸承的使用壽命與整機使用壽命相同,不短于10 a。需要依據(jù)工況選擇合適的軸承類型,對軸承失效形式進行分析,基于合適的計算準則,對軸承進行設(shè)計,以克服潤滑條件不良所造成的失效風險。

回轉(zhuǎn)支承軸承所受載荷的大小、方向及性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。旋轉(zhuǎn)機架在運行過程中,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載重力所產(chǎn)生的徑向載荷、由軸向竄動產(chǎn)生的軸向載荷,以及滾筒與負載綜合質(zhì)心偏離軸承支點所引起的傾覆力矩。

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。當內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時,滾動體隨之滾動,內(nèi)外圈與滾動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)生脈動變化。滾動體位于軸承上端時,受載極小;位于下端時,受載最大。對于采用雙軸承支承方案的旋轉(zhuǎn)機架,軸承受載以徑向為主,以軸向為輔。

接觸應(yīng)力和變形的計算是軸承性能分析的關(guān)鍵,軸承接觸應(yīng)力對軸承的疲勞壽命與額定靜載荷有重要影響。軸承滾動體與滾道的接觸多為點接觸或線接觸,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。對于常規(guī)工況,軸承的失效形式主要是疲勞點蝕,應(yīng)按軸承的額定動載荷進行壽命計算。對于隨旋轉(zhuǎn)機架低速、重載、往復(fù)擺動運行的回轉(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行強度計算[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

良好的潤滑是軸承長期可靠運行的前提,潤滑不良,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,滾動體與滾道之間的稀薄油膜被進一步撕裂,造成滾動體與滾道直接接觸。潤滑不良是造成重載低速軸承塑性變形的一個主要原因,在進行軸承設(shè)計時,潤滑應(yīng)考慮采用包含極壓添加劑的潤滑脂,增大潤滑脂的附著力[10]。對于大型放療設(shè)備旋轉(zhuǎn)機架,還需要考慮潤滑脂的耐輻照能力。旋轉(zhuǎn)機架回轉(zhuǎn)支承軸承主要失效形式與原因見表2。

表2 旋轉(zhuǎn)機架回轉(zhuǎn)支承軸承主要失效形式與原因

5 應(yīng)用設(shè)計

某公司開發(fā)了一款大型放療設(shè)備,采用滾筒式旋轉(zhuǎn)機架,機架進行-275°～275°往復(fù)擺動運動,最高轉(zhuǎn)速為1 r/min,旋轉(zhuǎn)滾筒及安裝在旋轉(zhuǎn)機架上的治療頭等載荷共計112.7 kN。旋轉(zhuǎn)機架采用雙軸承支承,以徑向受力為主,同時承受一定的傾覆力矩及軸向竄動力。軸承選擇徑向承載為主的軸承,同時兼顧軸向承載。采用雙支承時,傾覆力矩較小,可以忽略。根據(jù)對各類大規(guī)格軸承承載及應(yīng)用工況的對比分析,確定旋轉(zhuǎn)機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)機架回轉(zhuǎn)支承軸承受載情況見表3,深溝球軸承選型設(shè)計參數(shù)見表4。

圖3 軸承布局與受力分析

表3 旋轉(zhuǎn)機架回轉(zhuǎn)支承軸承受載情況 kN

表4 大型深溝球軸承選型設(shè)計參數(shù)

表4中,P0、C0計算式分別為:

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。在滿足安裝尺寸的前提下,所選用的軸承,其許用承載力遠大于軸承的實際承受載荷。大型深溝球軸承免維護,成本低,因此是比較合理的選擇。

6 結(jié)束語

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