高速电主轴热态分析

高速电主轴热态分析

高速加工技术是现代四台先进制造技术之一。这是继续执行加工技术以来产生的一种第二次创造性和快速的技术。它不仅具有较高的产量，而且可以显著提高零件的加工精度和表面质量。高速主轴是高速数控机床的核心，其性能决定了整个床上的加工精度和效率。然而，由于电主轴的热位移，高速数控机床的加工精度和主轴的使用寿命对电主轴的热位移产生了严重影响。对电主轴的热态特征的模拟分析具有重要的理论意义和实用价值。ansys是一种通用的三维仿真分析软件，具有很强的热分析功能。在这项工作中，ansys的有限计算方法被用来模拟和分析电主轴的温度分布、冷却和电机对电主轴的温度升的影响，以及电主轴的实际设计、加工、试验和分析。1主电源的快速热计算公式高速电主轴有两个主要的内部热源:轴承的摩擦发热和内装式电机的损耗发热.1.1旋转速度的计算高速电主轴使用混合陶瓷球轴承,根据Palmgren计算公式,轴承滚动体与滚道间接触区的摩擦发热量为式中:M为轴承的摩擦总力矩;n为轴承内圈的旋转速度.轴承总摩擦力矩由两项组成,即M0是与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩,计算公式为式中:f0为与轴承设计和润滑有关的系数,对于电主轴角接触球轴承,采用油雾或油气润滑时,f0=1;ν为润滑油在运转温度下的运动黏度;dm为轴承节圆直径.M1是与轴承所受载荷有关的力矩,计算公式为式中:f1为与轴承结构和载荷有关的系数,对于角接触球轴承,f1=0.001;P1为轴承的当量载荷.1.2电机损耗的类型高速电主轴采用内置式电动机,电动机在实现能量转换过程中,电动机内部产生功率损耗而使电动机定、转子发热.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,约为额定功率的1%～5%.研究发现,在电动机高速运转条件下,有近1/3的电动机发热量是由转子产生的,其余2/3的热量是由定子产生.2主电源的高速设备热计算2.1润滑总开导率测试油气润滑是高速、超高速电主轴轴承的最佳润滑方法,油气润滑的原理就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量.轴承油气润滑的强迫对流换热系数比较难确定,计算通常采用如下经验公式:ha=0.332λlPr[u/(νx)]1/2(2)ha=0.332λlΡr[u/(νx)]1/2(2)式中:λl为润滑油的导热系数,W/(m·K);Pr为普朗特数;u为对流的速度,m/s;ν为润滑油的运动黏度,mm2/s;x为特征长度,m.2.2螺旋槽几何特征的计算电机和油水热交换系统冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热,冷却水在定子冷却套的螺旋矩形槽中流动,螺旋矩形槽的几何形状可展开成截面为矩形的等效油管,冷却水在管中的不同流态具有不同的换热规律,所用的对流换热系数计算公式也不相同.为此必须先算出雷诺数Re以判别流态,然后选用相应的公式计算.管内流体强迫对流的换热系数为式中:λw为流体的导热系数;D为螺旋槽几何特征的定性尺度;Nu为努赛尔数.2.3转子表面的传热系数和转子平均风速电主轴定、转子之间气隙的传热属有限空间的自然对流换热,由于定、转子表面温差的存在,气流的受热和冷却也同时存在,再加上转子的转动,气流的上升和下沉相互影响.由于气隙很小,这两股气流和旋转气流相互影响,使气隙的对流相当复杂.一种比较实用的观点认为无论对于转子表面或定子表面,其气隙表面的传热系数均可以用下式表示:式中:ωδ为气隙的平均风速,ωδ=u2/2,u2为转子的圆周速度.2.4转子端部的传热模型转子产生的热量一部分通过气隙传给定子,一部分直接传递给主轴和轴承,还有一部分通过端部传给周围的空气.转子端部的传热问题主要是与周围空气的对流换热和辐射换热有关,该热交换的换热系数可用下式表示:式中:vt为转子端部的平均速度.2.5复合传热的制备高速电主轴和周围空气之间不仅进行对流传热,同时还产生辐射传热,这种对流和辐射同时进行的传热过程称为复合传热.根据文献的实验结果,取复合传热系数hs=9.7W/(m2·K).3模拟分析对亚yss的影响3.1热态分析的几何模型本文以IBAGHF170.4A20型高速电主轴为研究对象,为了计算方便,对其所有细小结构与次要部件进行了简化.由于高速电主轴整体上可以看成是轴对称结构,因此在进行热态分析时,取轴向剖面的一半建立有限元分析几何模型(见图1).选用平面单元PLANE55对高速电主轴有限元模型进行网格划分,共有2015个单元,1703个节点.3.2油-水冷却系统1)电主轴的转速:10～16kr/min,在恒功率范围之内,功率损耗为3kW.2)油-水冷却系统的入水口温度Tin=25℃,出水口温度Tout≤35℃,矩形槽截面长宽分别为9mm和6mm.3)油气润滑系统的压缩空气压力为0.4Pa,温度为25℃.4)环境温度为25℃.3.3转子轴的温升电主轴在14kr/min恒转速下运行,根据前面的分析计算出电主轴各部分的发热和对流换热系数,并进行ANSYS仿真.轴承的温升如图2所示,前轴承外圈的最高温度为55.2℃,后轴承外圈的最高温度为51.9℃.轴承的温升除了自身的摩擦发热,转子产生的一部分热量通过转子轴传导给轴承,也是造成轴承温升的原因.前轴承的温度高于后轴承的温度,是因为前、后轴承的类型不同、生热率不同和轴承的预紧力不同等因素造成的.在实际加工条件下,由于前轴承为受力轴承,前轴承温升会比后轴承更高.轴承的温升是导致轴承失效的主要原因,为提高轴承和电主轴的寿命,必须严格控制轴承的温升.电主轴在14kr/min转速下运行40min后达到热稳定状态时的温度场分布如图3所示.从图3可以看出,定子的温度较低,因为定子上的油水冷却系统带走了定子上的大部分热量.而转子轴的温度最高,约为157℃,这是由于转子的散热条件不好,热量容易累积而使温度上升.转子轴的温升引起的轴向热位移是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要因素,因此有效控制电主轴的温升是提高电主轴精度和寿命最有效的途径.3.4冷却水流量对电主轴温升的影响油水冷却系统是电主轴主要的冷却方式.以14kr/min恒转速运行时,电主轴的温升随冷却水流量的变化如图4所示.从图4可以看出,提高油水冷却系统的冷却效率对电主轴定子的温升影响最大,对轴承的温升也有一定的影响,但对转子轴的温升影响很小.3.5空气流量对轴承温升的影响轴承油气润滑系统是轴承主要的冷却润滑方式.电主轴以14kr/min恒转速运行时,电主轴的温升随空气流量的变化如图5所示.从图5可以看出,提高油气润滑系统的冷却效率可有效控制轴承温升,但对定子和转子轴的温升影响很小.3.6转速变化对电主轴温升的影响与普通主轴相比,电主轴的转速等切削条件更加多变,对电主轴温升的影响也不容忽视.如果电主轴开始以10kr/min的速度运行2000s达到热稳定状态,然后以16kr/min的速度运行500s,再以10kr/min的速度运行1500s重新回到稳定状态,以此作为仿真条件.在电主轴的前端选择4个位置(如图1所示),仿真分析转速变化对电主轴这4个位置温升的影响.仿真结果如图6所示,从达到温升峰值的时间可以看出,位置1和2几乎同时到达峰值,位置3滞后位置1约30s,位置4滞后位置1约21s.从温升幅值可以看出,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,各位置的温度变化存在幅值衰减和时间滞后,是一种非线性关系;电主轴内部的温度变化,则能较准确地反映转速等切削条件和轴承温升的变化,而电主轴体表温度对转速等切削条件和轴承温升的变化不够敏感.4转子轴冷却途径及控制方式1)提高现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但