高速CT機(jī)主軸承試驗(yàn)技術(shù)研究

摘" 要：CT機(jī)主軸承作為CT機(jī)的機(jī)架與掃描部分之間的連接件，是CT機(jī)的關(guān)鍵零部件。隨著CT機(jī)的更新?lián)Q代，對(duì)主軸承的要求也越來越高，新研發(fā)的高速CT機(jī)主軸承裝機(jī)使用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證軸承是否滿足用戶需求。為此，以某型號(hào)高速CT機(jī)主軸承為例，從軸承實(shí)際工作狀況出發(fā)，對(duì)主軸承工作轉(zhuǎn)速、偏轉(zhuǎn)角度、載荷等方面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)制造一款專用的試驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)該型號(hào)軸承進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的順利進(jìn)行，既表明該軸承的設(shè)計(jì)制造達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，也證明該試驗(yàn)方法的可行性。

關(guān)鍵詞：高速CT機(jī)；軸承；試驗(yàn)機(jī)；加載；偏轉(zhuǎn)

中圖分類號(hào)：TH122" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0053-05

Abstract： The main bearing of the CT machine is the connection between the frame and the scanning part of the CT machine， and is a key component of the CT machine. With the upgrading of CT machines， the requirements for main bearings are becoming higher and higher. The newly developed main bearing of high-speed CT machines must be subjected to simulation tests before being installed into use to verify whether the bearings meet user needs. To this end， taking the main bearing of a certain model of high-speed CT machine as an example， based on the actual working conditions of the bearing， the working speed， deflection angle， load and other aspects of the main bearing were analyzed， and a special test platform was designed and manufactured. The test was carried out on this type of bearing， and the smooth progress of the test not only showed that the design and manufacturing of the bearing had achieved the expected goals， but also proved the feasibility of the test method.

Keywords： high-speed CT machine; bearing; testing machine; loading; deflection

自1974年喬治城大學(xué)的工程師羅伯特·萊德利設(shè)計(jì)了全身CT以來，CT設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展非常迅速[1]。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)用CT機(jī)主軸承是高端醫(yī)療設(shè)備部件，其工作條件及設(shè)備構(gòu)造等條件的限制，致使對(duì)主軸承性能的要求十分高，韓向遠(yuǎn)等[2]為測(cè)試CT機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承在工作狀態(tài)下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保其穩(wěn)定、可靠、安全的工作，開發(fā)了CT機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，通過報(bào)警系統(tǒng)、顯示和其他直觀化的輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。苑鍇[3]從CT機(jī)軸承試驗(yàn)要求入手，進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，剖析試驗(yàn)機(jī)工作原理，所設(shè)計(jì)的CT機(jī)用轉(zhuǎn)盤軸承試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)提供了必要條件。

軸承試驗(yàn)指在試驗(yàn)設(shè)備上模擬軸承工況對(duì)軸承進(jìn)行測(cè)試、考核、驗(yàn)證及分析[4]，試驗(yàn)是軸承研發(fā)過程中的重要一環(huán)，對(duì)航空航天、船舶、高鐵和醫(yī)療等領(lǐng)域用高端軸承研發(fā)水平提升至關(guān)重要，對(duì)掌握產(chǎn)品的真實(shí)數(shù)據(jù)、提高產(chǎn)品影響力意義重大[5]，所以性能試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)是新研制的高速CT機(jī)主軸承出廠裝機(jī)前的必測(cè)項(xiàng)目。為此本文以某型號(hào)高速CT機(jī)主軸承為對(duì)象，從載荷、轉(zhuǎn)速、偏轉(zhuǎn)和潤(rùn)滑等方面分析軸承實(shí)際工況，研制一臺(tái)高速CT機(jī)主軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)，利用該試驗(yàn)機(jī)從全方面模擬軸承實(shí)際工作條件，對(duì)軸承進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證軸承的性能和試驗(yàn)方法的可行性。

1" 高速CT機(jī)主軸承簡(jiǎn)介

CT機(jī)主軸承作為CT機(jī)旋轉(zhuǎn)掃描部分的關(guān)鍵部件，應(yīng)用于固定的CT機(jī)架和旋轉(zhuǎn)掃描部分之間的連接部位，用于傳遞和承受X線管、準(zhǔn)直儀、探測(cè)器和滑環(huán)等裝置重力產(chǎn)生的載荷，需滿足CT機(jī)高轉(zhuǎn)速、低噪聲、高精度、低振動(dòng)和長(zhǎng)壽命等使用要求[6]。

某型號(hào)高速CT機(jī)主軸承工作狀態(tài)如圖1所示，該軸承內(nèi)圈通過安裝邊安裝在機(jī)架上，外圈連接旋轉(zhuǎn)掃描部件。CT機(jī)工作時(shí)，主軸承中心軸線或呈水平狀態(tài)，如圖1（a）所示，或偏轉(zhuǎn)一定角度α，如圖1（b）所示。主軸承所承載的旋轉(zhuǎn)部件的重心位于主軸承中心軸線上，并且距離軸承回轉(zhuǎn)基面具有一定距離l。由于重力G的方向始終豎直向下，所以當(dāng)主軸承軸線水平時(shí)，旋轉(zhuǎn)部件的重力G對(duì)軸承產(chǎn)生徑向載荷Fr1和傾覆力矩M1；當(dāng)軸承偏轉(zhuǎn)一定角度α?xí)r，旋轉(zhuǎn)部件的重力G對(duì)軸承產(chǎn)生徑向載荷Fr2、軸向載荷Fa2和傾覆力矩M2。

某型號(hào)高速CT機(jī)主軸承相關(guān)參數(shù)見表1。

2" 研制軸承試驗(yàn)機(jī)

2.1" 試驗(yàn)機(jī)要求

需要根據(jù)CT機(jī)實(shí)際工作狀況，研制一款高速CT機(jī)主軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)，來模擬高速CT機(jī)主軸承實(shí)際工況，對(duì)新研制的軸承進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)需要滿足以下要求：①試驗(yàn)軸承尺寸范圍足夠廣，需要滿足不同型號(hào)CT機(jī)主軸承的試驗(yàn)要求；②轉(zhuǎn)速要足夠高，需要達(dá)到新一代高速CT機(jī)的轉(zhuǎn)速要求；③需要有偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)CT機(jī)實(shí)際工作中的0～30°的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；④需要設(shè)計(jì)一套加載裝置模擬重力載荷。

2.2" 試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，所研制的高速CT機(jī)主軸承綜合性能試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)由試驗(yàn)臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)裝置、偏轉(zhuǎn)裝置、加載裝置和調(diào)整裝置等部分組成，試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

其中，試驗(yàn)臺(tái)架是基礎(chǔ)，滿足其他裝置的安裝需求；驅(qū)動(dòng)裝置是動(dòng)力源，滿足軸承轉(zhuǎn)速要求；偏轉(zhuǎn)裝置調(diào)節(jié)軸承傾斜角度，可以模擬CT機(jī)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)；加載裝置為試驗(yàn)軸承提供載荷；調(diào)整裝置在改變偏轉(zhuǎn)角度時(shí)調(diào)整載荷方向，使載荷方向與重力方向保持一致。

2.3" 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

行業(yè)內(nèi)常用的軸承試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電主軸驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)[7]。針對(duì)高速CT機(jī)主軸承0～300 r/min的高轉(zhuǎn)速工況要求，本試驗(yàn)機(jī)選用主軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)具有低頻特性好、速度響應(yīng)快、控制精度高和過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

電機(jī)規(guī)格計(jì)算如下。

1）軸承摩擦力矩計(jì)算：軸承是軸系摩擦力矩產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)，摩擦力矩阻礙著軸系的旋轉(zhuǎn)[10]，此處選用簡(jiǎn)易的滾動(dòng)軸承摩擦力矩計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

M1=0.5 μFd ，" " " " " （1）

式中：M1為軸承摩擦力矩，N·mm；μ為軸承摩擦系數(shù)，試驗(yàn)軸承摩擦系數(shù)取0.002 4，陪試軸承摩擦系數(shù)取0.001 8；F為軸承的載荷，N；d為軸承的內(nèi)徑，mm。

將試驗(yàn)軸承和陪試軸承各參數(shù)分別代入公式（1）進(jìn)行計(jì)算，求得2種軸承總摩擦力矩為37.5 N·m。

2）主軸及軸承端蓋等旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力矩計(jì)算公式為

M2=Iβ ，" " （2）

式中：M2為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力矩，N·m；I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；β為角加速度，rad/s2。

將主軸及軸承端蓋等旋轉(zhuǎn)部件各參數(shù)代入公式（2）進(jìn)行計(jì)算，求得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力矩為13 N·m。

3）總力矩計(jì)算：將軸承摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量力矩相加，求得總力矩M總=50.5 N·m。

電主軸功率計(jì)算公式為

P= ， （3）

P0= ， （4）

式中：P為驅(qū)動(dòng)功率，kW；M為總力矩M總，N·m；n為試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min；P0為電主軸功率，kW；η為電主軸效率，取0.8。

將各參數(shù)代入公式（3）、（4），求得所需的電主軸功率P0=1.6 kW。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)預(yù)留一定的空間，最終選用額定功率7.5 kW，額定扭矩143 N·m，額定轉(zhuǎn)速500 r/min的電機(jī)。

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過電機(jī)安裝板與軸承安裝座相連接，軸承安裝座通過支撐軸系安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上。電機(jī)輸出端通過聯(lián)軸器連接試驗(yàn)主軸、軸承端蓋及軸承外圈，最終實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)軸承內(nèi)圈固定，外圈旋轉(zhuǎn)。

2.4" 偏轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)要求，要對(duì)軸承進(jìn)行0～30°傾斜狀態(tài)下的加載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，所以本試驗(yàn)機(jī)需要有一套偏轉(zhuǎn)裝置，偏轉(zhuǎn)功能主要由試驗(yàn)軸承兩側(cè)的電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)。偏轉(zhuǎn)電缸下端安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，電缸上端與支撐軸系的支架相連接，支架安裝在軸承安裝座上，支架呈“L”型。工作中，當(dāng)需要改變?cè)囼?yàn)軸承偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，調(diào)整兩側(cè)偏轉(zhuǎn)電缸活塞桿的伸縮量，驅(qū)動(dòng)“L”型的支架繞支撐軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，最終可帶動(dòng)試驗(yàn)軸承改變偏轉(zhuǎn)角度。

2.5" 加載裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)高速CT機(jī)的低噪音、載荷復(fù)雜多變的服役環(huán)境，傳統(tǒng)的液壓加載和配重塊加載方法都不能同時(shí)滿足低噪音和交變載荷的試驗(yàn)要求。所以，本試驗(yàn)方法提出基于PLC控制的伺服電動(dòng)缸加載方法。伺服電動(dòng)缸具有結(jié)構(gòu)緊湊、互換性好、控制精度高、響應(yīng)速度快以及可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[11-12]，PLC可看作是微型計(jì)算機(jī)，在工業(yè)控制方面有著廣泛的應(yīng)用[13]，PLC控制伺服電動(dòng)缸施加交變載荷，通過拉壓力傳感器反饋形成加載的閉環(huán)控制，從而提高加載精度，滿足高速CT機(jī)主軸承的試驗(yàn)加載要求。

通過分析高速CT機(jī)的實(shí)際工況，主軸承的載荷是由距離軸承回轉(zhuǎn)基面一定距離l的重力所產(chǎn)生的，所以，加載電缸安裝位置距離試驗(yàn)軸承回轉(zhuǎn)中心的距離為l。由于重力方向始終豎直向下，所以要有一套調(diào)整裝置來調(diào)整加載電缸的位置，使加載電缸的方向始終保持豎直。

2.6" 調(diào)整裝置設(shè)計(jì)

由于本試驗(yàn)所加載荷是模擬重力，所以拉力方向需要始終豎直向下，考慮到試驗(yàn)中需要在不同偏轉(zhuǎn)角度下對(duì)軸承進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)軸承偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，加載電缸也會(huì)變得傾斜，拉力不在豎直方向上，需要調(diào)整加載電缸的位置，使之再次豎直，所以設(shè)計(jì)了一套調(diào)整裝置。

將加載電缸下端安裝在加載電缸座上，加載電缸座安裝在試驗(yàn)臺(tái)架的“T”型導(dǎo)軌中，絲桿頭部安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，尾部螺紋旋入加載電缸座。每當(dāng)調(diào)整試驗(yàn)軸承偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)絲桿，在螺紋的作用下，加載電缸座沿“T”型導(dǎo)軌進(jìn)行直線移動(dòng)，從而調(diào)整加載電缸的角度，使加載電缸保持豎直。

2.7" 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)分為電氣控制部分和數(shù)據(jù)采集部分。電氣控制系統(tǒng)主要對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置及偏轉(zhuǎn)裝置等進(jìn)行控制，通過PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器的Profinet通信，進(jìn)而控制電機(jī)速度大小，通過PLC控制伺服電機(jī)，帶動(dòng)伺服電動(dòng)缸控制載荷大小及偏轉(zhuǎn)角度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和顯示等功能，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中載荷、軸承轉(zhuǎn)速、溫度、電機(jī)電流、軸承振動(dòng)和噪聲等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在觸摸屏上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

3" 軸承試驗(yàn)

3.1" 試驗(yàn)軸承安裝

試驗(yàn)軸承的內(nèi)圈和外圈分別通過螺釘組安裝在試驗(yàn)機(jī)的軸承安裝座和軸承端蓋上。螺釘安裝時(shí)，由于螺紋牙的特殊結(jié)構(gòu)和各螺釘間的相互彈性作用，后擰緊的螺釘對(duì)先擰緊螺釘中的預(yù)緊力會(huì)產(chǎn)生一定影響， 不同的擰緊順序所產(chǎn)生的連接質(zhì)量也不相同[14]。呈環(huán)形分布螺栓組按對(duì)角順序擰緊時(shí)，螺栓間的彈性相互作用最弱，殘余預(yù)緊力和面壓分布最均勻，擰緊效果最好[15]，不僅能使各個(gè)螺釘受力均勻，而且能使被連接件更好的貼合[16]。此處螺釘?shù)陌惭b采用逐步預(yù)緊法，試驗(yàn)軸承緊固相關(guān)參數(shù)見表2，緊固順序采用圖4所示的“米”字形緊固法，預(yù)緊過程中并適當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸承，避免出現(xiàn)軸承啟動(dòng)摩擦力矩顯著增大的現(xiàn)象。

3.2" 進(jìn)行軸承試驗(yàn)

軸承安裝完畢后，對(duì)該型號(hào)CT機(jī)主軸承進(jìn)行試驗(yàn)，圖5為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

表3為該型號(hào)軸承試驗(yàn)項(xiàng)目的其中一段試驗(yàn)載荷譜，該階段試驗(yàn)采用逐步加速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，單次循環(huán)時(shí)間30 min，偏轉(zhuǎn)角度為0°。

開始試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)軸承的轉(zhuǎn)速和載荷，采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速、載荷以及試驗(yàn)軸承溫度、振動(dòng)、噪聲等數(shù)據(jù)。圖6、圖7為某次試驗(yàn)開機(jī)后一段時(shí)間內(nèi)軸承溫度和振動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)開始后軸承溫度開始升高，最高溫度達(dá)到42 ℃，試驗(yàn)室溫22 ℃，最大溫升數(shù)值在設(shè)計(jì)范圍30 ℃之內(nèi)，振動(dòng)數(shù)值較低且平穩(wěn)，該試驗(yàn)階段軸承順利通過測(cè)試。

4" 結(jié)論

通過試驗(yàn)的順利進(jìn)行，不僅證明了該型號(hào)軸承設(shè)計(jì)及制造滿足用戶需求，而且也驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的可行性。高速CT機(jī)主軸承屬于高端醫(yī)療軸承，目前市面上應(yīng)用的主要是進(jìn)口軸承。通過對(duì)高速CT機(jī)主軸承試驗(yàn)技術(shù)的研究，為軸承的研制及優(yōu)化工作提供了參考，將推動(dòng)CT機(jī)主軸承在各項(xiàng)技術(shù)上取得突破，打破國外在高端醫(yī)療軸承領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，早日實(shí)現(xiàn)高端軸承國產(chǎn)化。

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