高速電主軸熱態(tài)分析

高速電主軸熱態(tài)分析

高速加工技術是現(xiàn)代四臺先進制造技術之一。這是繼續(xù)執(zhí)行加工技術以來產(chǎn)生的一種第二次創(chuàng)造性和快速的技術。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量。高速主軸是高速數(shù)控機床的核心，其性能決定了整個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)控機床的加工精度和主軸的使用壽命對電主軸的熱位移產(chǎn)生了嚴重影響。對電主軸的熱態(tài)特征的模擬分析具有重要的理論意義和實用價值。ansys是一種通用的三維仿真分析軟件，具有很強的熱分析功能。在這項工作中，ansys的有限計算方法被用來模擬和分析電主軸的溫度分布、冷卻和電機對電主軸的溫度升的影響，以及電主軸的實際設計、加工、試驗和分析。1主電源的快速熱計算公式高速電主軸有兩個主要的內部熱源:軸承的摩擦發(fā)熱和內裝式電機的損耗發(fā)熱.1.1旋轉速度的計算高速電主軸使用混合陶瓷球軸承,根據(jù)Palmgren計算公式,軸承滾動體與滾道間接觸區(qū)的摩擦發(fā)熱量為式中:M為軸承的摩擦總力矩;n為軸承內圈的旋轉速度.軸承總摩擦力矩由兩項組成,即M0是與軸承類型、轉速和潤滑油性質有關的力矩,計算公式為式中:f0為與軸承設計和潤滑有關的系數(shù),對于電主軸角接觸球軸承,采用油霧或油氣潤滑時,f0=1;ν為潤滑油在運轉溫度下的運動黏度;dm為軸承節(jié)圓直徑.M1是與軸承所受載荷有關的力矩,計算公式為式中:f1為與軸承結構和載荷有關的系數(shù),對于角接觸球軸承,f1=0.001;P1為軸承的當量載荷.1.2電機損耗的類型高速電主軸采用內置式電動機,電動機在實現(xiàn)能量轉換過程中,電動機內部產(chǎn)生功率損耗而使電動機定、轉子發(fā)熱.電機的損耗一般分為4類:機械損耗、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),在電動機高速運轉條件下,有近1/3的電動機發(fā)熱量是由轉子產(chǎn)生的,其余2/3的熱量是由定子產(chǎn)生.2主電源的高速設備熱計算2.1潤滑總開導率測試油氣潤滑是高速、超高速電主軸軸承的最佳潤滑方法,油氣潤滑的原理就是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別連續(xù)不斷地、精確地供給每一套主軸軸承,微小油滴在滾動體和內外滾道間形成彈性動壓油膜,而壓縮空氣則帶走軸承運轉所產(chǎn)生的部分熱量.軸承油氣潤滑的強迫對流換熱系數(shù)比較難確定,計算通常采用如下經(jīng)驗公式:ha=0.332λlPr[u/(νx)]1/2(2)ha=0.332λlΡr[u/(νx)]1/2(2)式中:λl為潤滑油的導熱系數(shù),W/(m·K);Pr為普朗特數(shù);u為對流的速度,m/s;ν為潤滑油的運動黏度,mm2/s;x為特征長度,m.2.2螺旋槽幾何特征的計算電機和油水熱交換系統(tǒng)冷卻油之間的換熱屬于管內流體強迫對流換熱,冷卻水在定子冷卻套的螺旋矩形槽中流動,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,所用的對流換熱系數(shù)計算公式也不相同.為此必須先算出雷諾數(shù)Re以判別流態(tài),然后選用相應的公式計算.管內流體強迫對流的換熱系數(shù)為式中:λw為流體的導熱系數(shù);D為螺旋槽幾何特征的定性尺度;Nu為努賽爾數(shù).2.3轉子表面的傳熱系數(shù)和轉子平均風速電主軸定、轉子之間氣隙的傳熱屬有限空間的自然對流換熱,由于定、轉子表面溫差的存在,氣流的受熱和冷卻也同時存在,再加上轉子的轉動,氣流的上升和下沉相互影響.由于氣隙很小,這兩股氣流和旋轉氣流相互影響,使氣隙的對流相當復雜.一種比較實用的觀點認為無論對于轉子表面或定子表面,其氣隙表面的傳熱系數(shù)均可以用下式表示:式中:ωδ為氣隙的平均風速,ωδ=u2/2,u2為轉子的圓周速度.2.4轉子端部的傳熱模型轉子產(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.轉子端部的傳熱問題主要是與周圍空氣的對流換熱和輻射換熱有關,該熱交換的換熱系數(shù)可用下式表示:式中:vt為轉子端部的平均速度.2.5復合傳熱的制備高速電主軸和周圍空氣之間不僅進行對流傳熱,同時還產(chǎn)生輻射傳熱,這種對流和輻射同時進行的傳熱過程稱為復合傳熱.根據(jù)文獻的實驗結果,取復合傳熱系數(shù)hs=9.7W/(m2·K).3模擬分析對亞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象,為了計算方便,對其所有細小結構與次要部件進行了簡化.由于高速電主軸整體上可以看成是軸對稱結構,因此在進行熱態(tài)分析時,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對高速電主軸有限元模型進行網(wǎng)格劃分,共有2015個單元,1703個節(jié)點.3.2油-水冷卻系統(tǒng)1)電主軸的轉速:10～16kr/min,在恒功率范圍之內,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℃,矩形槽截面長寬分別為9mm和6mm.3)油氣潤滑系統(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轉子軸的溫升電主軸在14kr/min恒轉速下運行,根據(jù)前面的分析計算出電主軸各部分的發(fā)熱和對流換熱系數(shù),并進行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,轉子產(chǎn)生的一部分熱量通過轉子軸傳導給軸承,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,是因為前、后軸承的類型不同、生熱率不同和軸承的預緊力不同等因素造成的.在實際加工條件下,由于前軸承為受力軸承,前軸承溫升會比后軸承更高.軸承的溫升是導致軸承失效的主要原因,為提高軸承和電主軸的壽命,必須嚴格控制軸承的溫升.電主軸在14kr/min轉速下運行40min后達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度場分布如圖3所示.從圖3可以看出,定子的溫度較低,因為定子上的油水冷卻系統(tǒng)帶走了定子上的大部分熱量.而轉子軸的溫度最高,約為157℃,這是由于轉子的散熱條件不好,熱量容易累積而使溫度上升.轉子軸的溫升引起的軸向熱位移是導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恒轉速運行時,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)的冷卻效率對電主軸定子的溫升影響最大,對軸承的溫升也有一定的影響,但對轉子軸的溫升影響很小.3.5空氣流量對軸承溫升的影響軸承油氣潤滑系統(tǒng)是軸承主要的冷卻潤滑方式.電主軸以14kr/min恒轉速運行時,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,提高油氣潤滑系統(tǒng)的冷卻效率可有效控制軸承溫升,但對定子和轉子軸的溫升影響很小.3.6轉速變化對電主軸溫升的影響與普通主軸相比,電主軸的轉速等切削條件更加多變,對電主軸溫升的影響也不容忽視.如果電主軸開始以10kr/min的速度運行2000s達到熱穩(wěn)定狀態(tài),然后以16kr/min的速度運行500s,再以10kr/min的速度運行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個位置(如圖1所示),仿真分析轉速變化對電主軸這4個位置溫升的影響.仿真結果如圖6所示,從達到溫升峰值的時間可以看出,位置1和2幾乎同時到達峰值,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間滯后,是一種非線性關系;電主軸內部的溫度變化,則能較準確地反映轉速等切削條件和軸承溫升的變化,而電主軸體表溫度對轉速等切削條件和軸承溫升的變化不夠敏感.4轉子軸冷卻途徑及控制方式1)提高現(xiàn)有冷卻潤滑系統(tǒng)的冷卻效率可有效控制軸承的溫升,但