基于CosmosWorks电主轴温度场的有限元分析

1、第30卷第5期2009年5月煤矿机械Coal Mine MachineryMav.2009基于CosmosWorks电主轴温度场的有限元分析水周大帅h2.伍良生。张仕海。周亮1(1.北京工业大学机电学院,北京100124;2.佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007摘要:分析了高速电主轴中电主轴和轴承的发热机理,冷却系统的散热特性,在此基础上运用Solidworks建立了实体模型,并用CosmosWorks对高速电主轴进行了稳态和瞬态温度场的计算。关键词:高速加工;电主轴;温度场;CosmosWorks中图分类号:TPl2文献标志码:A文章编号: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 鹪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引言制造业的发展对数控机床加工精度提出了越来越高的要求。影响机床加工精度的热特性,随着高速高精度机床的日益广泛应用,渐渐地引起了人们的注意,并成为研究的热点之一;高速电主轴是高速机床的核心部件,由于电机和主轴“合二为一”的高效传动结构,使电主轴成为该类机床的主要热源。在高速高精密机床中,电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高,因此切削力引起的加工误差比较小。但电主轴轴承高速

5、下的剧烈摩擦发热和高频电机发热是不可避免的,这些热源都会使主轴、轴承产生热变形,从而影响加工精度。有资料表明:在精密加工中,由机床热变形所引起的制造误差占总制造误差的60%一80%,由此引起的热变形如果处理不当将会严重地降低机床的加工精度和质量等级。1电主轴系统几何模型的建立本文以北京某机床厂生产的某型号高速高精密电主轴为例(最高转速为14000r/min,该主轴系统主要由主轴、转子、定子、前后轴承、轴承端盖等主要部件组成。利用SolidWorks建立主轴、定子、转子及前、后轴承等的几何模型如图l所示。国家自然科学基金资助项目(50375002;北京市科委(XJZTDT04图1电主轴装配图2电

6、主轴中温度场的分析与计算电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内,这对电动机的散热极其不利,因此,要保证高速条件下电主轴的加工精度,关键技术之一是解决内置式主轴电动机的发热,提高电主轴的热稳定性。2.1内装式电机的损耗发热量的计算电机定子和转子的发热来源于电机的损耗。电机的损耗一般分为4类:机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗。前3类损耗为主要损耗。附加损耗在总的损耗中所占的比例很小,为额定功率的l%5%。电主轴的部分参数见表l。表1电主轴的部分技术参教 假定电机的额定功率损耗5.5kW全部转化为热量,则其中2/3热量由定子产生(约3.667kW, 1/3热量由转子产生(约1.83kW。2

7、.2轴承的摩擦发热量的计算随着主轴转速的增加,轴承内部的摩擦发热也越严重。轴承内部发热和温度分布是一个十分复杂的三维问题,为了对问题进行简化,故对轴承内部的传热现象做了如下的假定:(1稳态热传递;(2一维温度分布;(3接触区的发热与时间无关。接触区的发热是由滚动体与滚道之间的摩擦损失和滚动阻力产生的。轴承的发热量主要是轴承的摩擦力矩引起的,根据文献9,轴承的发热量蟛=o.1047nM(1式中n轴承转速,r/min;朋轴承摩擦力矩,Nm;M=%+肘l(2膨。负荷项;帆速度项。根据Palmgren理论,速度项帆反映了润滑剂的流体动力损耗,负荷项朋。反映了弹性滞后和局部差动滑动的摩擦损耗。当运动黏度

8、t,与转速/7,的乘积t,凡2×103 In2/s时帆=10一Z(13/,2/3d一3。(3当",l<2000cStr/min时Mo=160×10一%(4式中d。轴承中径;五与轴承类型和润滑方式有关的经验常数;l,在工作温度下润滑剂的运动黏度(对于润滑脂取基油的黏度,cSt。M。=P。d。(5式中Z与轴承类型和所受负荷有关的系数;P.确定轴承摩擦力矩的计算负荷,N。由式(1一式(5即可计算出主轴系统前、后轴承的发热量,将其作为热载荷施加于主轴系统有限元模型的轴承体上,就可以进一步计算主轴系统的温度场。电主轴前轴承为3个角接触陶瓷球轴承36 228,后轴承为一

9、个角接触球轴承36120。2.3高速电主轴的传热机制根据热传递的机理,高速电主轴的传热机制有以下几部分组成:(1电主轴电机与油水热交换系统的对流换热;(2轴承与油一气润滑系统中压缩空气的对流换热;(3电机转子的传热;(4电主轴前、后密封环的对流换热系数;(5高速电主轴与外部空气的传热。综上所述.电主轴的热源发热量和各部分的传热系数列表2所示。表2热源发热量和各部分的传热系数3高速电主轴的温度场分析采用上述的装配图模型,用电主轴实体的1/12来分析,当然所加载的热量也应为总热量的1/12,电主轴中定子和转子均可当作厚壁圆筒,定子冷却套上的螺旋槽可等效为环形,主轴和主轴箱体材料分别为45钢和铸铁,

10、密度为7800ks/m3,弹性模量为210GPa,在保证计算精度要求的前提下,对模型进行简化:电主轴中的拉刀机构及后座不参加有限元建模,忽略所有的螺钉、通气孔、通油孔以及其他一些细小结构。完成建模和材料设定后,分别对主轴进行网格设定、加载约束和载荷后,进行有限元运算,网络划分结果如图2所示。图2主轴系统有限元模型网格划分后的结果3.1高速电主轴稳态温度场分析高速电主轴系统的稳态热分析在以下条件下进行:(1环境温度T=25,假定定、转子之间气隙温度T=60;(2主轴转速n。,=14000r/rain;将表2中的数值分别加载到模型中去,运用CosmosWorks对电主轴系统有限元模型进行稳态热分析

11、。得到该电主轴的稳态温度场分布(图略。转子铁芯部位的温度最高,约为80.56,这是因为转子的发热在铁芯处累积,且散热条件不好,热量不能迅速有效地导出,因而温升较高,但转子芯部的温度值没有超过正常值。前轴承内圈的温度约为65.56,后轴承内圈的温度约为43.33,前轴承的温升较高一方面是因为前轴承本身发热量较大,另一方面是受转子的 第30卷第5期2009年5月煤矿机械Coal Mine MachineryMav.2009悬臂式掘进机2种截割方式稳定性对比分析吴兰艳。周哲波,蒋信(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001摘要:针对掘进机的主要工况,横摆截割,分析掘进机最大受力状况,利用坐标变

12、换把各力投影转换到掘进机坐标系,分析其力矩,分别计算相同功率的横、纵轴式掘进机的稳定性,定量地比较两者的稳定性。关键词:掘进机;横轴式;纵轴式;稳定性;受力分析;对比分析.中图分类号:TD421.5文献标志码:A文章编号: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引言悬臂式掘进机按截割头回转轴的布置方式分横轴式和纵轴式2种形式,横轴式掘进机其截割头的旋转轴与悬臂主轴垂直,纵轴式截割头其旋转轴与悬臂主轴同轴。横轴式与纵轴式各有各的优点,目前国内均使用广泛。众所周知,掘进机稳定性是指整机的平衡性能,是研究其在工作或行走时是否发生倾覆的

15、可能。本文从静态和动态2个方面分析比较横轴式与纵轴式的稳定性。为了比较2种截割方式的稳定性,采用定量分析的方法,假定有某截割功率P=120kW的2种截割方式的掘进机,其他各工作参数均相同。发热量的影响,转子产生的部分热量部分传递给了sWorks进行有限元分析能得到满意的解,为高速高轴承,致使轴承温升加高。精密机床主轴系统的机构改进提供有力的理论依3.2高速电主轴瞬态温度场分析据,也将为以后进一步对机床整机的热态特性研究当高速电主轴的转速忍=14000r/min时,将瞬奠定坚实的基础。态热分析相关材料属性及稳态热分析中计算的相参考文献:关参数代入CosmosWorks分析软件,进行运算(图1梁允奇.机械制造中的传热与热变形基础M北京:机械工业略。对图2轴一轴承系统有限元模型进行瞬态热出般社,侈82坌錾:堡型毫鬯丰毽:要、要苎至墅变竺璧哆哩多心3翼嚣耋篇:J宝黧盖翁搿釜装机中的空气动力学与变化曲线(图略,高速电主轴运行约3200s后,3莫三莓j数釜磊鬃毛三磊童芫蓑某i二.北京:机械工业出版社,前、后轴承内圈及高速电主轴转子的温度达到最高2006.析结果相同,因此可以确定电主轴在转速凡:145陈兆年,陈子辰机床热态特性学基础M北京:机械工