高速電主軸熱態(tài)分析

高速電主軸熱態(tài)分析

高速加工技術(shù)是現(xiàn)代四臺(tái)先進(jìn)制造技術(shù)之一。這是繼續(xù)執(zhí)行加工技術(shù)以來(lái)產(chǎn)生的一種第二次創(chuàng)造性和快速的技術(shù)。它不僅具有較高的產(chǎn)量，而且可以顯著提高零件的加工精度和表面質(zhì)量。高速主軸是高速數(shù)控機(jī)床的核心，其性能決定了整個(gè)床上的加工精度和效率。然而，由于電主軸的熱位移，高速數(shù)控機(jī)床的加工精度和主軸的使用壽命對(duì)電主軸的熱位移產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。對(duì)電主軸的熱態(tài)特征的模擬分析具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。ansys是一種通用的三維仿真分析軟件，具有很強(qiáng)的熱分析功能。在這項(xiàng)工作中，ansys的有限計(jì)算方法被用來(lái)模擬和分析電主軸的溫度分布、冷卻和電機(jī)對(duì)電主軸的溫度升的影響，以及電主軸的實(shí)際設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)和分析。1主電源的快速熱計(jì)算公式高速電主軸有兩個(gè)主要的內(nèi)部熱源:軸承的摩擦發(fā)熱和內(nèi)裝式電機(jī)的損耗發(fā)熱.1.1旋轉(zhuǎn)速度的計(jì)算高速電主軸使用混合陶瓷球軸承,根據(jù)Palmgren計(jì)算公式,軸承滾動(dòng)體與滾道間接觸區(qū)的摩擦發(fā)熱量為式中:M為軸承的摩擦總力矩;n為軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度.軸承總摩擦力矩由兩項(xiàng)組成,即M0是與軸承類型、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油性質(zhì)有關(guān)的力矩,計(jì)算公式為式中:f0為與軸承設(shè)計(jì)和潤(rùn)滑有關(guān)的系數(shù),對(duì)于電主軸角接觸球軸承,采用油霧或油氣潤(rùn)滑時(shí),f0=1;ν為潤(rùn)滑油在運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度;dm為軸承節(jié)圓直徑.M1是與軸承所受載荷有關(guān)的力矩,計(jì)算公式為式中:f1為與軸承結(jié)構(gòu)和載荷有關(guān)的系數(shù),對(duì)于角接觸球軸承,f1=0.001;P1為軸承的當(dāng)量載荷.1.2電機(jī)損耗的類型高速電主軸采用內(nèi)置式電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中,電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗而使電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子發(fā)熱.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,約為額定功率的1%～5%.研究發(fā)現(xiàn),在電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,有近1/3的電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量是由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的,其余2/3的熱量是由定子產(chǎn)生.2主電源的高速設(shè)備熱計(jì)算2.1潤(rùn)滑總開導(dǎo)率測(cè)試油氣潤(rùn)滑是高速、超高速電主軸軸承的最佳潤(rùn)滑方法,油氣潤(rùn)滑的原理就是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承,微小油滴在滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道間形成彈性動(dòng)壓油膜,而壓縮空氣則帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量.軸承油氣潤(rùn)滑的強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)比較難確定,計(jì)算通常采用如下經(jīng)驗(yàn)公式:ha=0.332λlPr[u/(νx)]1/2(2)ha=0.332λlΡr[u/(νx)]1/2(2)式中:λl為潤(rùn)滑油的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Pr為普朗特?cái)?shù);u為對(duì)流的速度,m/s;ν為潤(rùn)滑油的運(yùn)動(dòng)黏度,mm2/s;x為特征長(zhǎng)度,m.2.2螺旋槽幾何特征的計(jì)算電機(jī)和油水熱交換系統(tǒng)冷卻油之間的換熱屬于管內(nèi)流體強(qiáng)迫對(duì)流換熱,冷卻水在定子冷卻套的螺旋矩形槽中流動(dòng),螺旋矩形槽的幾何形狀可展開成截面為矩形的等效油管,冷卻水在管中的不同流態(tài)具有不同的換熱規(guī)律,所用的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式也不相同.為此必須先算出雷諾數(shù)Re以判別流態(tài),然后選用相應(yīng)的公式計(jì)算.管內(nèi)流體強(qiáng)迫對(duì)流的換熱系數(shù)為式中:λw為流體的導(dǎo)熱系數(shù);D為螺旋槽幾何特征的定性尺度;Nu為努賽爾數(shù).2.3轉(zhuǎn)子表面的傳熱系數(shù)和轉(zhuǎn)子平均風(fēng)速電主軸定、轉(zhuǎn)子之間氣隙的傳熱屬有限空間的自然對(duì)流換熱,由于定、轉(zhuǎn)子表面溫差的存在,氣流的受熱和冷卻也同時(shí)存在,再加上轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),氣流的上升和下沉相互影響.由于氣隙很小,這兩股氣流和旋轉(zhuǎn)氣流相互影響,使氣隙的對(duì)流相當(dāng)復(fù)雜.一種比較實(shí)用的觀點(diǎn)認(rèn)為無(wú)論對(duì)于轉(zhuǎn)子表面或定子表面,其氣隙表面的傳熱系數(shù)均可以用下式表示:式中:ωδ為氣隙的平均風(fēng)速,ωδ=u2/2,u2為轉(zhuǎn)子的圓周速度.2.4轉(zhuǎn)子端部的傳熱模型轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量一部分通過氣隙傳給定子,一部分直接傳遞給主軸和軸承,還有一部分通過端部傳給周圍的空氣.轉(zhuǎn)子端部的傳熱問題主要是與周圍空氣的對(duì)流換熱和輻射換熱有關(guān),該熱交換的換熱系數(shù)可用下式表示:式中:vt為轉(zhuǎn)子端部的平均速度.2.5復(fù)合傳熱的制備高速電主軸和周圍空氣之間不僅進(jìn)行對(duì)流傳熱,同時(shí)還產(chǎn)生輻射傳熱,這種對(duì)流和輻射同時(shí)進(jìn)行的傳熱過程稱為復(fù)合傳熱.根據(jù)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取復(fù)合傳熱系數(shù)hs=9.7W/(m2·K).3模擬分析對(duì)亞yss的影響3.1熱態(tài)分析的幾何模型本文以IBAGHF170.4A20型高速電主軸為研究對(duì)象,為了計(jì)算方便,對(duì)其所有細(xì)小結(jié)構(gòu)與次要部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化.由于高速電主軸整體上可以看成是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此在進(jìn)行熱態(tài)分析時(shí),取軸向剖面的一半建立有限元分析幾何模型(見圖1).選用平面單元PLANE55對(duì)高速電主軸有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共有2015個(gè)單元,1703個(gè)節(jié)點(diǎn).3.2油-水冷卻系統(tǒng)1)電主軸的轉(zhuǎn)速:10～16kr/min,在恒功率范圍之內(nèi),功率損耗為3kW.2)油-水冷卻系統(tǒng)的入水口溫度Tin=25℃,出水口溫度Tout≤35℃,矩形槽截面長(zhǎng)寬分別為9mm和6mm.3)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓縮空氣壓力為0.4Pa,溫度為25℃.4)環(huán)境溫度為25℃.3.3轉(zhuǎn)子軸的溫升電主軸在14kr/min恒轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,根據(jù)前面的分析計(jì)算出電主軸各部分的發(fā)熱和對(duì)流換熱系數(shù),并進(jìn)行ANSYS仿真.軸承的溫升如圖2所示,前軸承外圈的最高溫度為55.2℃,后軸承外圈的最高溫度為51.9℃.軸承的溫升除了自身的摩擦發(fā)熱,轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的一部分熱量通過轉(zhuǎn)子軸傳導(dǎo)給軸承,也是造成軸承溫升的原因.前軸承的溫度高于后軸承的溫度,是因?yàn)榍啊⒑筝S承的類型不同、生熱率不同和軸承的預(yù)緊力不同等因素造成的.在實(shí)際加工條件下,由于前軸承為受力軸承,前軸承溫升會(huì)比后軸承更高.軸承的溫升是導(dǎo)致軸承失效的主要原因,為提高軸承和電主軸的壽命,必須嚴(yán)格控制軸承的溫升.電主軸在14kr/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)行40min后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)分布如圖3所示.從圖3可以看出,定子的溫度較低,因?yàn)槎ㄗ由系挠退鋮s系統(tǒng)帶走了定子上的大部分熱量.而轉(zhuǎn)子軸的溫度最高,約為157℃,這是由于轉(zhuǎn)子的散熱條件不好,熱量容易累積而使溫度上升.轉(zhuǎn)子軸的溫升引起的軸向熱位移是導(dǎo)致電主軸精度降低和軸承失效的主要因素,因此有效控制電主軸的溫升是提高電主軸精度和壽命最有效的途徑.3.4冷卻水流量對(duì)電主軸溫升的影響油水冷卻系統(tǒng)是電主軸主要的冷卻方式.以14kr/min恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),電主軸的溫升隨冷卻水流量的變化如圖4所示.從圖4可以看出,提高油水冷卻系統(tǒng)的冷卻效率對(duì)電主軸定子的溫升影響最大,對(duì)軸承的溫升也有一定的影響,但對(duì)轉(zhuǎn)子軸的溫升影響很小.3.5空氣流量對(duì)軸承溫升的影響軸承油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)是軸承主要的冷卻潤(rùn)滑方式.電主軸以14kr/min恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),電主軸的溫升隨空氣流量的變化如圖5所示.從圖5可以看出,提高油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的冷卻效率可有效控制軸承溫升,但對(duì)定子和轉(zhuǎn)子軸的溫升影響很小.3.6轉(zhuǎn)速變化對(duì)電主軸溫升的影響與普通主軸相比,電主軸的轉(zhuǎn)速等切削條件更加多變,對(duì)電主軸溫升的影響也不容忽視.如果電主軸開始以10kr/min的速度運(yùn)行2000s達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài),然后以16kr/min的速度運(yùn)行500s,再以10kr/min的速度運(yùn)行1500s重新回到穩(wěn)定狀態(tài),以此作為仿真條件.在電主軸的前端選擇4個(gè)位置(如圖1所示),仿真分析轉(zhuǎn)速變化對(duì)電主軸這4個(gè)位置溫升的影響.仿真結(jié)果如圖6所示,從達(dá)到溫升峰值的時(shí)間可以看出,位置1和2幾乎同時(shí)到達(dá)峰值,位置3滯后位置1約30s,位置4滯后位置1約21s.從溫升幅值可以看出,位置1最大,位置2次之,位置4比位置2稍小些,位置3最小.由此可以看出,各位置的溫度變化存在幅值衰減和時(shí)間滯后,是一種非線性關(guān)系;電主軸內(nèi)部的溫度變化,則能較準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)速等切削條件和軸承溫升的變化,而電主軸體表溫度對(duì)轉(zhuǎn)速等切削條件和軸承溫升的變化不夠敏感.4轉(zhuǎn)子軸冷卻途徑及控制方式1)提高現(xiàn)有冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的冷卻效率可有效控制軸承的溫升,但