基于CosmosWorks電主軸溫度場的有限元分析

1、第30卷第5期2009年5月煤礦機(jī)械Coal Mine MachineryMav.2009基于CosmosWorks電主軸溫度場的有限元分析水周大帥h2.伍良生。張仕海。周亮1(1.北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京100124;2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江佳木斯154007摘要:分析了高速電主軸中電主軸和軸承的發(fā)熱機(jī)理,冷卻系統(tǒng)的散熱特性,在此基礎(chǔ)上運用Solidworks建立了實體模型,并用CosmosWorks對高速電主軸進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場的計算。關(guān)鍵詞:高速加工;電主軸;溫度場;CosmosWorks中圖分類號:TPl2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10030794(20090500920

2、3FEA Analysis of Temperature Field for High-speedSpindle System Based on CosmosWorksZHOU Dashuail”,WU Liangshen91,ZHANG Shihall,ZHOU Liang。(1.College of Mechanical and Electronic,Beijing University of Technology.Beijing100124,China;2.College of Mechanical Engineering of Jiamusi University,Jiamusi154

3、007,ChinaAbstract:ne heat generating mechanics of the hish speed electric spidle and mechanical bearing as well 鷦the heatsinking character of the coolant system were analysed,and based on that,fullscale mock up Was establiesed with Solidworks,calculated temperature field of the hish speed spidle in

4、steady state and transient state.Key words:high speed machining;high-speed spindle;temperature field;CosmosWorksO引言制造業(yè)的發(fā)展對數(shù)控機(jī)床加工精度提出了越來越高的要求。影響機(jī)床加工精度的熱特性,隨著高速高精度機(jī)床的日益廣泛應(yīng)用,漸漸地引起了人們的注意,并成為研究的熱點之一;高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件,由于電機(jī)和主軸“合二為一”的高效傳動結(jié)構(gòu),使電主軸成為該類機(jī)床的主要熱源。在高速高精密機(jī)床中,電主軸單元各零件的剛度和精度都比較高,因此切削力引起的加工誤差比較小。但電主軸軸承高速

5、下的劇烈摩擦發(fā)熱和高頻電機(jī)發(fā)熱是不可避免的,這些熱源都會使主軸、軸承產(chǎn)生熱變形,從而影響加工精度。有資料表明:在精密加工中,由機(jī)床熱變形所引起的制造誤差占總制造誤差的60%一80%,由此引起的熱變形如果處理不當(dāng)將會嚴(yán)重地降低機(jī)床的加工精度和質(zhì)量等級。1電主軸系統(tǒng)幾何模型的建立本文以北京某機(jī)床廠生產(chǎn)的某型號高速高精密電主軸為例(最高轉(zhuǎn)速為14000r/min,該主軸系統(tǒng)主要由主軸、轉(zhuǎn)子、定子、前后軸承、軸承端蓋等主要部件組成。利用SolidWorks建立主軸、定子、轉(zhuǎn)子及前、后軸承等的幾何模型如圖l所示。國家自然科學(xué)基金資助項目(50375002;北京市科委(XJZTDT04圖1電主軸裝配圖2電

6、主軸中溫度場的分析與計算電主軸的結(jié)構(gòu)特點是電動機(jī)的定子直接安裝在殼體內(nèi),這對電動機(jī)的散熱極其不利,因此,要保證高速條件下電主軸的加工精度,關(guān)鍵技術(shù)之一是解決內(nèi)置式主軸電動機(jī)的發(fā)熱,提高電主軸的熱穩(wěn)定性。2.1內(nèi)裝式電機(jī)的損耗發(fā)熱量的計算電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱來源于電機(jī)的損耗。電機(jī)的損耗一般分為4類:機(jī)械損耗、電損耗、磁損耗和附加損耗。前3類損耗為主要損耗。附加損耗在總的損耗中所占的比例很小,為額定功率的l%5%。電主軸的部分參數(shù)見表l。表1電主軸的部分技術(shù)參教 假定電機(jī)的額定功率損耗5.5kW全部轉(zhuǎn)化為熱量,則其中2/3熱量由定子產(chǎn)生(約3.667kW, 1/3熱量由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生(約1.83kW。2

7、.2軸承的摩擦發(fā)熱量的計算隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,軸承內(nèi)部的摩擦發(fā)熱也越嚴(yán)重。軸承內(nèi)部發(fā)熱和溫度分布是一個十分復(fù)雜的三維問題,為了對問題進(jìn)行簡化,故對軸承內(nèi)部的傳熱現(xiàn)象做了如下的假定:(1穩(wěn)態(tài)熱傳遞;(2一維溫度分布;(3接觸區(qū)的發(fā)熱與時間無關(guān)。接觸區(qū)的發(fā)熱是由滾動體與滾道之間的摩擦損失和滾動阻力產(chǎn)生的。軸承的發(fā)熱量主要是軸承的摩擦力矩引起的,根據(jù)文獻(xiàn)9,軸承的發(fā)熱量蟛=o.1047nM(1式中n軸承轉(zhuǎn)速,r/min;朋軸承摩擦力矩,Nm;M=%+肘l(2膨。負(fù)荷項;帆速度項。根據(jù)Palmgren理論,速度項帆反映了潤滑劑的流體動力損耗,負(fù)荷項朋。反映了彈性滯后和局部差動滑動的摩擦損耗。當(dāng)運動黏度

8、t,與轉(zhuǎn)速/7,的乘積t,凡2×103 In2/s時帆=10一Z(13/,2/3d一3。(3當(dāng)",l<2000cStr/min時Mo=160×10一%(4式中d。軸承中徑;五與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù);l,在工作溫度下潤滑劑的運動黏度(對于潤滑脂取基油的黏度,cSt。M。=P。d。(5式中Z與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù);P.確定軸承摩擦力矩的計算負(fù)荷,N。由式(1一式(5即可計算出主軸系統(tǒng)前、后軸承的發(fā)熱量,將其作為熱載荷施加于主軸系統(tǒng)有限元模型的軸承體上,就可以進(jìn)一步計算主軸系統(tǒng)的溫度場。電主軸前軸承為3個角接觸陶瓷球軸承36 228,后軸承為一

9、個角接觸球軸承36120。2.3高速電主軸的傳熱機(jī)制根據(jù)熱傳遞的機(jī)理,高速電主軸的傳熱機(jī)制有以下幾部分組成:(1電主軸電機(jī)與油水熱交換系統(tǒng)的對流換熱;(2軸承與油一氣潤滑系統(tǒng)中壓縮空氣的對流換熱;(3電機(jī)轉(zhuǎn)子的傳熱;(4電主軸前、后密封環(huán)的對流換熱系數(shù);(5高速電主軸與外部空氣的傳熱。綜上所述.電主軸的熱源發(fā)熱量和各部分的傳熱系數(shù)列表2所示。表2熱源發(fā)熱量和各部分的傳熱系數(shù)3高速電主軸的溫度場分析采用上述的裝配圖模型,用電主軸實體的1/12來分析,當(dāng)然所加載的熱量也應(yīng)為總熱量的1/12,電主軸中定子和轉(zhuǎn)子均可當(dāng)作厚壁圓筒,定子冷卻套上的螺旋槽可等效為環(huán)形,主軸和主軸箱體材料分別為45鋼和鑄鐵,

10、密度為7800ks/m3,彈性模量為210GPa,在保證計算精度要求的前提下,對模型進(jìn)行簡化:電主軸中的拉刀機(jī)構(gòu)及后座不參加有限元建模,忽略所有的螺釘、通氣孔、通油孔以及其他一些細(xì)小結(jié)構(gòu)。完成建模和材料設(shè)定后,分別對主軸進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)定、加載約束和載荷后,進(jìn)行有限元運算,網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果如圖2所示。圖2主軸系統(tǒng)有限元模型網(wǎng)格劃分后的結(jié)果3.1高速電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場分析高速電主軸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱分析在以下條件下進(jìn)行:(1環(huán)境溫度T=25,假定定、轉(zhuǎn)子之間氣隙溫度T=60;(2主軸轉(zhuǎn)速n。,=14000r/rain;將表2中的數(shù)值分別加載到模型中去,運用CosmosWorks對電主軸系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析

11、。得到該電主軸的穩(wěn)態(tài)溫度場分布(圖略。轉(zhuǎn)子鐵芯部位的溫度最高,約為80.56,這是因為轉(zhuǎn)子的發(fā)熱在鐵芯處累積,且散熱條件不好,熱量不能迅速有效地導(dǎo)出,因而溫升較高,但轉(zhuǎn)子芯部的溫度值沒有超過正常值。前軸承內(nèi)圈的溫度約為65.56,后軸承內(nèi)圈的溫度約為43.33,前軸承的溫升較高一方面是因為前軸承本身發(fā)熱量較大,另一方面是受轉(zhuǎn)子的 第30卷第5期2009年5月煤礦機(jī)械Coal Mine MachineryMav.2009懸臂式掘進(jìn)機(jī)2種截割方式穩(wěn)定性對比分析吳蘭艷。周哲波,蔣信(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南232001摘要:針對掘進(jìn)機(jī)的主要工況,橫擺截割,分析掘進(jìn)機(jī)最大受力狀況,利用坐標(biāo)變

12、換把各力投影轉(zhuǎn)換到掘進(jìn)機(jī)坐標(biāo)系,分析其力矩,分別計算相同功率的橫、縱軸式掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性,定量地比較兩者的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:掘進(jìn)機(jī);橫軸式;縱軸式;穩(wěn)定性;受力分析;對比分析.中圖分類號:TD421.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:10030794(200905009403 Comparative Analysis of Stability of Cantilever Road Header Cumng WaysWULanyah,ZHOU Zhebo.JIANG Xln(College of Mechanical Engineering of Anhui Scientice Technology Uni

13、versity。Huainan232001,ChinaAbstract:Aimed at the main working condition,horizontal swing cutting,the biggest force of roadheader was analysed.Each force Wag changed into reference frame of the roadheader using coordinate transfer.The moment of the two road headers Wt:Lq analysed and caculated.The wo

14、rking stability of both Was contrasted by data.Key words:road header;horizontal-axial-roadheader;longitudinal excavator;stability force analysis; contrast analysisO引言懸臂式掘進(jìn)機(jī)按截割頭回轉(zhuǎn)軸的布置方式分橫軸式和縱軸式2種形式,橫軸式掘進(jìn)機(jī)其截割頭的旋轉(zhuǎn)軸與懸臂主軸垂直,縱軸式截割頭其旋轉(zhuǎn)軸與懸臂主軸同軸。橫軸式與縱軸式各有各的優(yōu)點,目前國內(nèi)均使用廣泛。眾所周知,掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性是指整機(jī)的平衡性能,是研究其在工作或行走時是否發(fā)生傾覆的

15、可能。本文從靜態(tài)和動態(tài)2個方面分析比較橫軸式與縱軸式的穩(wěn)定性。為了比較2種截割方式的穩(wěn)定性,采用定量分析的方法,假定有某截割功率P=120kW的2種截割方式的掘進(jìn)機(jī),其他各工作參數(shù)均相同。發(fā)熱量的影響,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的部分熱量部分傳遞給了sWorks進(jìn)行有限元分析能得到滿意的解,為高速高軸承,致使軸承溫升加高。精密機(jī)床主軸系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)改進(jìn)提供有力的理論依3.2高速電主軸瞬態(tài)溫度場分析據(jù),也將為以后進(jìn)一步對機(jī)床整機(jī)的熱態(tài)特性研究當(dāng)高速電主軸的轉(zhuǎn)速忍=14000r/min時,將瞬奠定堅實的基礎(chǔ)。態(tài)熱分析相關(guān)材料屬性及穩(wěn)態(tài)熱分析中計算的相參考文獻(xiàn):關(guān)參數(shù)代入CosmosWorks分析軟件,進(jìn)行運算(圖1梁允奇.機(jī)械制造中的傳熱與熱變形基礎(chǔ)M北京:機(jī)械工業(yè)略。對圖2軸一軸承系統(tǒng)有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)熱出般社,侈82坌鏨:堡型毫鬯豐毽:要、要苧至墅變竺璧哆哩多心3翼囂耋篇:J寶黧蓋翁搿釜裝機(jī)中的空氣動力學(xué)與變化曲線(圖略,高速電主軸運行約3200s后,3莫三莓j數(shù)釜磊鬃毛三磊童芫蓑某i二.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,前、后軸承內(nèi)圈及高速電主軸轉(zhuǎn)子的溫度達(dá)到最高2006.析結(jié)果相同,因此可以確定電主軸在轉(zhuǎn)速凡:145陳兆年,陳子辰機(jī)床熱態(tài)特性學(xué)基礎(chǔ)M北京:機(jī)械工