高速電主軸溫度分布及其影響因素（sù）（上）-功（gōng）能部件網-數控機床市場網

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高速電主軸溫度分布（bù）及（jí）其（qí）影響因素（上）

2018-10-11 來源（yuán）：轉載作者：吳玉厚，崔向昆（kūn），孫紅，張麗秀，張珂（kē）

摘要目的分析（xī） 70SD30 電主軸溫度場分布情況，為提高主軸加（jiā）工精度提供理論依據（jù）．方法建立電主軸（zhóu）數學模型及 1 /4 三維幾何模型，實驗驗證（zhèng）電主軸模型的可靠性．利用 COMSOL 軟件模擬電主軸的（de）溫度分布，研究主軸轉速、徑向磨（mó）削力對電主軸溫（wēn）升的影響．結果（guǒ）電主軸的最高溫度出現在後軸承處，溫度為 47． 7 ℃; 電主軸（zhóu）最低溫度出現在冷卻水水道處，溫度為 16． 2 ℃; 轉子（zǐ）到定子間的空氣溫度（dù）迅速遞減; 在（zài）冷卻液流量達到 0． 35 m3/ h 時，對比電主軸後軸承外表麵處溫度的實（shí）驗數（shù）據與模擬數據，平均溫差為（wéi） 0． 25 ℃，誤差為 1． 3% ．結論軸承和轉（zhuǎn）子處於高溫區，由於軸承發熱率大，而後軸承所（suǒ）處位置的結構不利於散熱，導（dǎo）致後軸承溫度最高; 由（yóu）於定、轉子間隙的傳熱係數低，致使轉（zhuǎn）子到定子的溫（wēn）度急劇降（jiàng）低; 轉速對（duì）後軸（zhóu）承溫升影響（xiǎng）最大，而磨削力對前軸（zhóu）承溫升影響最大．

關鍵詞電（diàn）主軸; 溫度場; 冷卻液流量; 徑向磨削力（lì）

電主軸是高速數控機床的核心部件，它將機床主軸與變頻電（diàn）機軸合（hé）二為一，實現了電主軸的零傳動，提高（gāo）了機床的加（jiā）工效率和加（jiā）工精度．在電（diàn）主軸高速運轉過程中，內（nèi）置（zhì）電機（jī）損耗（hào）和軸承（chéng）摩擦產生大量的熱量，導致電主軸溫度升高，溫升必然導致熱變形，主軸和軸承的熱變形會進一步影響機床的加工精度，並且會直接限製電主軸的（de）轉速，對機床的加（jiā）工效率產生（shēng）很大的影響．實踐證明，在精密機床的加工（gōng）中，因電主軸熱變（biàn）形引起的誤差遠大於其他因素（sù）引起的誤差和變形量（liàng）．因此，分析電主軸溫度場已經（jīng）成為（wéi）提高電主軸運行精度的必然手段．針對電主（zhǔ）軸在實際加工過程中存在的問題，國內外學者對主軸的溫升及熱傳遞性能進行了大量的研究． B． Bossmanns 等應用有限差（chà）分法（fǎ）建立了高速電主軸熱分（fèn）析模型，並對電主軸的傳（chuán）熱機製進行了（le）理論計算和試驗測試，為高（gāo）性能銑床主軸的應用提供了依據; Chen J S 等將熱應（yīng）力作為考慮重點（diǎn）研究電（diàn）主軸的軸承應力分布，並研發了在（zài）線檢測儀器，對預緊（jǐn）力大小進行控製，在一定轉速下，得到使軸承溫度最低的最小軸承預緊力; E． Abele 等（děng）對主軸的熱－動力學性能進行了相關研究，總結了機械熱（rè）模擬、軸承和驅動（dòng）等方麵的概念，得到主軸單元中傳感器和執（zhí）行器的集成可以提高主軸穩定性和（hé）加工效率; C． H． CHIEN 等對有螺旋冷卻水套的高速電主軸的冷卻流體運動狀態和溫度（dù）分布（bù）進行了三維數值求解和試驗，得到冷卻水的強製對流換熱可以有效地控（kòng）製電主軸的溫度和（hé）主軸的加工精度; Cao H 等建（jiàn）立了一個電主軸熱－結構模型，可以預測電主軸的溫度場分布和溫升（shēng）情況，在特定情況下，可以（yǐ）準確預測軸承瞬（shùn）時剛度和接觸載荷; 日本NSK 研究中心的一些學者（zhě）對陶瓷軸（zhóu）承在高速轉動下的（de）力（lì）學與發熱數學模型進行（háng）了（le）深入研究，並進（jìn）行了實驗驗證（zhèng）．國內從事這一領域研究的主要有廣東工業大學、洛陽軸承研究所和浙江大學等單位．洛陽軸承研究所的楊鹹啟用熱流（liú）網絡法分析軸（zhóu）承係統溫度場，並開發了（le）名為 SYBTEM 的計算程序; 王保民通過分（fèn）析主（zhǔ）軸的生熱和散熱特性建立（lì）電主軸熱分析有限元模型，得到轉子軸的溫升是導致電主軸（zhóu）精度降低和軸承失（shī）效的主要原因，揭示了電主軸溫度場分布的非線（xiàn）性特（tè）征（zhēng）; 郭軍等分別（bié）針對脂（zhī）潤滑和油氣潤滑兩（liǎng）種（zhǒng）潤滑條件下的電主軸穩態溫度場的分（fèn）布，計（jì）算發（fā）現油氣潤滑要比脂（zhī）潤滑（huá）情況的（de）溫（wēn）升要（yào）小很多; 廖敏等利用人工神經（jīng）網絡 BP 算法對高速電主軸軸承在不同轉速下軸承的穩態溫度進行了預測，分析（xī）了影（yǐng）響（xiǎng）電主軸溫升的（de）因素，並說明了轉速對軸承係統的溫升影響最大，轉速增加（jiā），溫度（dù）會急劇上升; 蔣興奇等分析了高速精密角接觸球軸承的發熱特性和熱傳遞特（tè）性，並對電主軸的發熱與傳遞特（tè）性進行了計算，得到軸承的發熱與摩擦力矩（jǔ）密切相關．

以上研究大都是通過建立電主軸熱模型，理論計算電主軸的生熱機製和傳熱機製，實驗與模擬電主軸（zhóu）各個零件之間的溫（wēn）度分布情況，沒有考慮到溫（wēn）度在電主軸內部空氣間（jiān）的傳遞過程; 軸承（chéng）方麵，大都是單獨研（yán）究軸承的發熱特（tè）性及（jí）熱傳遞性能（néng），沒有（yǒu）將軸承發熱與整個電主軸溫升聯係起來（lái）．基於此，筆者以 170SD30 電主軸為研究對象，建（jiàn）立電主軸數學模型及 1 /4 電主軸幾何模型，利用COM SOL 仿真（zhēn）軟件中的共軛傳熱模塊模擬170SD30 電主（zhǔ）軸油氣潤滑流場與電主軸溫度場的（de）耦合，分析電主軸各零件及內部空氣（qì）的（de）溫度分（fèn）布情況，模擬主軸轉速、徑向磨削力對電主軸（zhóu）溫升的影響，為提高主軸的加工精度（dù）和機床的加工效率提供了理論（lùn）依據．

1、模型及（jí）模擬方法

1． 1 數學（xué）模型

1． 1． 1 電主軸內置電機的損耗發熱

電主軸內置電機的損耗主要包括機（jī）械（xiè）損耗、電氣損耗、磁損耗．研究發現，在電主（zhǔ）軸高速運轉的條件下，假設電機的損耗全部轉化為熱量．有近 1 /3 的發熱量由電機（jī）轉（zhuǎn）子產生，其（qí）餘 2 /3 的發熱量由電機定（dìng）子產（chǎn）生相關計算參數如表 1 所示

表 1 電主軸內置（zhì）電機損耗

1． 2 幾何模型

筆者以 170SD30 電主軸為研究對象，為了方便計算，將（jiāng）油氣潤滑部分設（shè）置（zhì）為實體，忽（hū）略油氣潤滑係統中 20 號機械（xiè）油對軸承的降溫作用，隻考慮壓縮空氣對（duì）軸承和電主軸內腔表麵（miàn）散熱的影（yǐng）響; 冷卻水部分以散熱係數的（de）形式表（biǎo）現．根據電主軸的生熱、散熱情況，結合電主軸實際形（xíng）狀尺寸（cùn），對電主軸模型進行簡（jiǎn）化，在 Pro /Engineer 中建立 1 /4 電主（zhǔ）軸（zhóu）三維模型( 見圖 1) ．

圖 1 1 /4 電主軸三維模（mó）型

1． 3 模（mó）擬（nǐ）方法

利用（yòng） COMSOL 仿真（zhēn）軟件（jiàn）中的共軛傳熱模塊，對電（diàn）主軸（zhóu）進行（háng）流體與溫度場的耦合．模型在 COMSOL 軟件中的網（wǎng）格劃分情況（kuàng）見圖 2．

圖（tú） 2 網格劃分

在主軸轉速 12 000 r/min，環境溫度16 ℃ ，冷卻水流量 0． 35 m3/ h，冷卻水溫度 15 ℃ 的初始條（tiáo）件（jiàn）下（xià），采用 COMSOL 軟（ruǎn）件對170SD30 電主軸溫度場進行模擬．電主軸各個零件材料特性參數（shù）見表 2．模擬已知條件見表（biǎo） 3，其中入口流速、出口壓力、電主軸外表（biǎo）麵（miàn）散（sàn）熱係數、冷（lěng）卻（què）水散熱係數載荷施加形式均（jun1）為麵載，其餘條件載荷施加形式均為體載．

表 2 電主（zhǔ）軸（zhóu）各部件材（cái）料

表 3 已知條（tiáo）件

來源：沈陽建築大學機械工（gōng）程學院（yuàn），沈（shěn）陽建築（zhù）大學交通工程學院（yuàn），

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