26《機床與液壓》2006.No.7基于熱接觸分析的電主軸熱態(tài)特性研究郭軍,張伯霖,肖曙紅,趙虎2(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院,廣州510090;2.廣州敏捷制造技術(shù)有限公司,廣州511450)摘要:采用熱接觸有限元分析方法對電主軸的溫度場進行了分析,并且通過實驗對有限元分析模型進行了校核和驗證,提出了改善電主軸熱態(tài)特性的措施,對改進措施的效果進行有限元分析,分析表明改進措施具有良好效果。分析了在油脂潤滑和油-氣潤滑條件下電主軸溫升所引起的的熱變形,結(jié)果表明降低主軸溫升對減小主軸的熱變形具有明顯效果。關(guān)鍵詞:電主軸;熱接觸;溫度場;熱變形中圖分類號:TK730.3+21文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1001-3881(2006)7-026-5Research on Motorized Spindles Thermal Properties Based on Thermal ContactGUO Jun, ZHANG Bolin, XIAO Shuhong, ZHAO(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China;2. Guangzhou Agile Manufacturing Technology Co., Ltd, Guangzhou 511450, ChinaAbstract: The temperature field of motorized spindle was analyzed by utilizing the thermal contact FEM, the FEA modeldated by experiment, and two measures were put forward to improve the thermal properties of motorized spindle. Reformativwere analyzed respectively. The analysis result indicates the reformative measures are effective. The thermal deformationTensespindle under the conditions of grease lubrication and oil -air lubrication were analyzed, the analysis result indicates reducingperature rising can reduce the thermal deformation of motorized spindle obviouslyKeywords: Motorized spindle; Thermal contact; Temperature field; Thermal deformation電主軸是機床實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件,工作條件,將電機后置,在主軸前端采用兩對角接觸目前電主軸一般是采用內(nèi)置式電機直接驅(qū)動的,它能鋼球軸承前軸承1和中軸承2,并采用定位預(yù)緊,油夠傳遞很高的轉(zhuǎn)速和扭矩,而且剛性好,結(jié)構(gòu)緊湊,脂潤滑,在電機后端采用一深溝球軸承3作為輔助支可大大提高機床的生產(chǎn)效率和工件的加工質(zhì)量。但承是這種結(jié)構(gòu)也存在一個缺陷——主電機的散熱條件比1電主軸熱接觸耦合有限元分析模型較差,軸承溫升比較高。為了改善電主軸的熱態(tài)特電主軸中主要有兩大熱源:電機和前、后軸承性,迫切需要對電主軸的溫度場和熱變形進行深入研在電主軸結(jié)構(gòu)中,電機轉(zhuǎn)子前后軸承與主軸均采用過究。本文通過利用 ANSYS有限元分析軟件提供的熱盈配合來傳遞扭矩,同時它們之間也會存在大量的熱接觸耦合單元對電主軸的熱態(tài)特性進行研究,并通過傳遞,為了精確計算它們之間傳熱,可以采用AN實驗進行修正有限元分析模型,使有限元分析的計算SYs的接觸單元 contal71與 targel69和熱分析單元結(jié)果誤差在10%以內(nèi),掌握影響電主軸熱態(tài)特性的 plane55來進行熱耦合分析計算。平面接觸單元com主要因素,為今后電主軸新產(chǎn)品的研制提供理論依tl71和 I targel69可以生成一“接觸對”,用來計算兩據(jù),縮短新產(chǎn)品的開發(fā)時間,提高企業(yè)的競爭力。個過盈配合實體之間的傳熱。筆者和廣州某機床公司合作開發(fā)研制了一種新型由于電主軸整體上可視為軸對稱結(jié)構(gòu),故可對電結(jié)構(gòu)的車銑中心電主軸,如圖1所示主軸剖面的一半來建立有限元分析模型。為了簡化計算,忽略所有的螺釘孔以及其它一些細(xì)小結(jié)構(gòu)。圖2為電主軸簡化后的熱接觸有限元分析模型圖1車銑中心電主軸結(jié)構(gòu)示意圖十坳抽幽阻元分析模型中國煤化工該電主軸的額定功率為1lkW,額定扭矩為642分析求解·m,最高轉(zhuǎn)速為8000/min。為了改善主軸軸承的CNMHG比,在此按照實驗*基金項目:科技部“十·五”重點攻關(guān)資助項目(N2001BA203B5)《機床與液壓》2006,No.7的條件對電主軸的溫度場進行分析,其工作條件及其參數(shù)如下己LL1)主軸電機的額定的功率為1lkW,功率損失為2.09kW,并假設(shè)損失的功率全部轉(zhuǎn)化為熱,其中電機定子占2/3,電機轉(zhuǎn)子占1/3。48.8670.19754.53265.86277,191(2)前軸承和中軸承采用的是角接觸鋼球滾動軸承,其型號均為B7014E,軸承的內(nèi)徑為70mm,外圖3電主軸溫度場(n-m=800r/min)徑為110mm,軸承寬度為20mm,接觸角為25°,額圖4為軸承溫度隨時s深溝球軸承,其型號為602,軸承的內(nèi)徑為示,在28在右軸承溫翻后軸承60m,外徑為9m,額定動載荷為29kN,額定靜度達到平衡,達到平衡載荷為23.2kN;其潤滑方式均為油脂潤滑。后,其溫度與前面溫度場(3)油-水熱交換系統(tǒng)冷卻油的流量為Q=中的溫度一樣80016002400320040005L/min,入口溫度為Tn=20℃。時間/s圖5為主軸轉(zhuǎn)速對軸(4)環(huán)境溫度為T.=20℃。承溫升的影響,從圖可以圖4軸承溫度隨時表l為電主軸的熱邊界條件2,通過 ANSYS有看出,后軸承隨主軸轉(zhuǎn)速間變化曲線限元分析軟件將其加載到有限元分析模型上,進行分的溫度變化不大,在主軸(n=8000/min析求解,即可得到電主軸的溫度場分布。轉(zhuǎn)速為200y/min時,后軸承外圈的溫升為21.6℃表1電主軸熱邊界條件參數(shù)說明后軸承的溫升受電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱的影響比較大。參數(shù)名稱計算結(jié)果電機定子的生熱率/(Wm3)567218電機轉(zhuǎn)子的生熱率/(W·m3)467353前軸承、中軸承的生熱率/(Wm3)6264913→前軸承溫升后軸承的生熱率/(W·m3)7164164主軸轉(zhuǎn)速(×103rmin1定子冷卻油流量/(Lmin)軸前后端與周圍空氣的對流換熱106.9系數(shù)/[W·(m2.℃圖5主軸轉(zhuǎn)速對軸承圖6定子冷卻油的流量對電機定子和冷卻油的換熱系數(shù)溫升的影響前軸承溫升的影響161.9/[W·(m2.℃)前軸承和中軸承油脂潤滑孔處的溫升均隨主軸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子端部與周圍空氣的換熱系數(shù)速的增加而不斷增加,在200min時,前軸承油脂140.1/[W·(潤滑孔處的溫升為12.22℃,中軸承油脂潤滑孔處的主軸靜止不動外表面與周圍空氣對流換溫升為15.59℃,在主軸轉(zhuǎn)速為80min時,前軸9.7熱[W·(m2·℃)]承油脂潤滑孔處的溫升為3478℃,中軸承油脂潤滑圖3為電主軸轉(zhuǎn)速為800ymin時的溫度場,由孔處的溫升為37.30℃。圖可以看出,電機定子芯部最高為51.69℃,電機轉(zhuǎn)圖6為電機定子冷卻油的流量對軸承溫升的影子芯部最高溫度為719℃,軸的芯部最高溫度幾乎響,從圖可以看出,在電機冷卻油的流量為零時,前和轉(zhuǎn)子一樣。盡管電機轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量只有電機定子的軸承油脂潤滑孔處的溫升為5369℃,當(dāng)冷卻油的流1/2,但是由于電機定子有冷卻油進行冷卻,而轉(zhuǎn)子量為0.5L/mn時,前軸承的溫度迅速降為3867℃。的熱量只有通過主軸兩端和定子進行散熱,所以散熱當(dāng)冷卻油流量達到2L/mim時,前軸承的溫升為條件比較差,溫度相對來說比較高。同時也說明冷卻35.28℃。冷卻油流量達到2.5L/min后再繼續(xù)增加冷液對改善電機定子溫升起到了很好的作用。卻油的流量對降低軸承的溫升效果不是很明顯從圖3還可以看出主軸前端軸承處溫度也比較3電主軸溫升測試實驗高,前軸承油脂潤滑孔處的溫度為5478℃,中軸承為了對前述車削電主軸溫度場計算結(jié)果的可靠性油脂潤滑孔處的溫度為57.30℃,后軸承外圈的溫度進行中國煤化工建部位在各個轉(zhuǎn)速下為46.94℃,即溫升分別為347℃、37.30℃、的溫CNMHG圖7所示26.93℃,主軸后端溫度由于遠(yuǎn)離熱源,而且還和周頭性十,電土木西門子驅(qū)動系統(tǒng)進行圍空氣存在強迫對流,所以溫度比較低,其溫度為驅(qū)動,實現(xiàn)無級變速。電機定子中裝有一個溫度傳感26.21℃。器,可以在數(shù)控系統(tǒng)的控制面板顯示屏上顯示電機定《機床與液壓》2006Na7測溫頭時,前軸承的實驗溫升為38.5℃,其溫升比較大,超出了軸承溫升的標(biāo)準(zhǔn),必須采取措施來改善軸承的溫升。圖10為電機定子的理論計算與實驗測試溫度,主軸轉(zhuǎn)速為6000ymin時誤差最大,理論計算溫度為49.39℃,實驗測試溫度為47℃,誤差為5%。通過對前軸承、中軸進水口出水口油水熱交換承和電機定子的理論計算溫度與實驗測試的溫度進圖7電主軸實驗裝置行比較分析可以得出以下子在工作過程中的溫度變化情況,同時還可以顯示電結(jié)論:亠電機定子理論計算溫度電機定子實驗測試溫度主軸工作循環(huán)的時間。1)電機定子、前“0246主軸轉(zhuǎn)速(X103rmin)在溫升實驗時,采用的是TES-1310型數(shù)顯溫軸承和中軸承油脂潤滑孔度表,該數(shù)位溫度表配有一測溫頭,其探頭的直徑為處的理論計算溫度與實驗圖10電機定子理論計算溫3m,可以插入軸承油脂潤孔(孔的最小直徑為測試的溫度誤差在7%以度與實驗測量溫度4mm),對電主軸軸承外圈附近的溫度進行測量。該內(nèi);說明理論計算和實際計算的數(shù)據(jù)比較接近,具有測溫表的量程為-50~200℃?？尚判?理論計算的溫度場可以用來反映電主軸的實實驗條件如下:際溫度場,理論計算已具備足夠的精度,在一定程度(1)環(huán)境溫度為T。=20℃;上可以用來指導(dǎo)電主軸的研制。(2)油-水熱交換系統(tǒng)冷卻油的流量為Q(2)主軸轉(zhuǎn)速低于600/min時,前軸承和中軸2.5L/min,冷卻油的運動粘度為26×106m2/,人承的溫升均可滿足使用要求;在主軸轉(zhuǎn)速為800口溫度為T。=20℃。r/min時,前軸承最高溫升(實驗測試)為34℃,中為了能有效的檢驗有限元計算分析的正確性,選軸承的最高溫升為385℃。前軸承和中軸承的最高取了電主軸的主要熱源為研究對象,分別對電機定溫升均超過了主軸軸承的溫升標(biāo)準(zhǔn),因此必需采取有子、前軸承和中軸承油脂潤滑孔在各轉(zhuǎn)速下的溫度進效措施加以改進。行了測量。4改善電主軸熱態(tài)特性的措施圖8為前軸承油脂潤滑孔的理論計算與實驗測試為了改善電主軸軸承的熱態(tài)特性,可以采用以下溫度,如圖所示,主軸轉(zhuǎn)速為600r/min時,理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果誤差最大,理論計算溫度為(1)采用油-氣潤滑對主軸軸承進行冷卻潤滑46.01℃,實驗測試溫度為43℃,其誤差為7%。(2)由于該電主軸的結(jié)構(gòu)比較特殊,前軸承和從圖8可以看出,主軸轉(zhuǎn)速為800/min時,前中軸承都集中在主軸前端,結(jié)構(gòu)比較緊湊,可以借鑒軸承的實驗溫升為34℃,其溫升比較大,超出了主電機定子的冷卻方式,考慮在軸承座開環(huán)形冷卻槽,軸軸承溫升的標(biāo)準(zhǔn)。通過油-水熱交換系統(tǒng)來對軸承外圈進行強制冷卻。為了說明電主軸采用油-氣潤滑和對主軸軸承座采用油-水熱交換系統(tǒng)強制冷卻后的效果,下面分別對這兩種改進后的電主軸進行基于熱接觸耦合的熱態(tài)20→前軸承理論計算溫度中軸承理論計算溫度特性分析。10前軸承實驗測試溫度中軸承實驗測試溫度4.1電主軸油-氣潤滑時軸承的溫升電主軸溫度場計算的初始條件如下主軸轉(zhuǎn)速(03rmin)主軸轉(zhuǎn)速(×103rmia)(1)軸承油-氣潤滑系統(tǒng)壓縮氣體的流量為圖8前軸承理論計算溫圖9中軸承理論計算溫Q=25L/s,壓縮氣體壓力為04MPa,溫度為T度與實驗測試溫度度與實驗計算溫度2℃,壓縮氣體與軸承的對流換熱系數(shù)a=216.39圖9為中軸承油脂潤滑孔的理論計算與實驗測試W/中國煤化工溫度,由圖可知,主軸轉(zhuǎn)速為200/min時,理論計CNMHG80OOr/mino算結(jié)果與實驗誤差最大,中軸承的理論計算溫度為具條余仟向沺脂潤宿呵一枰。35.98℃,實驗測試溫度為33.6℃,誤差為6.9%。電機轉(zhuǎn)子、定子和軸承的生熱率以及電主軸各個從以上分析可以看出,主軸轉(zhuǎn)速為8000ymin部位與周圍空氣的對流換熱系數(shù)同采用油脂潤滑時《機床與液壓》2006.N07樣,溫度場分析單元的選擇,有限元網(wǎng)格的劃分均保持不變。將熱載荷、熱邊界條件以及油-氣潤滑對流換熱系數(shù)加載到有限元模型上進行分析求解,即可得到電主軸的溫度場。為了簡便起見,這里只對軸承的溫升進行說明。圖11為軸承溫度隨時間變化的曲線,從圖可以圖13電主軸熱接觸藕合分析模型看出,軸承的溫度在200右達到平衡,達到熱平卻油的運動粘度為26×10m2/s,其對流換熱系數(shù)衡后,前軸承、中軸承油一氣潤滑孔處的溫度分別為a=19869W/(m2·℃);17℃,后軸承外圈的溫度為38.51℃。前(2)主軸的工作轉(zhuǎn)速為n=800/min,軸承采軸承和中軸承的溫升分別為17℃和20.17℃,.后軸用油脂潤滑。承的溫升為18.51℃。電主軸的熱載荷、生熱密度以及對流換熱系數(shù)與前面油脂潤滑時的一樣。將生熱密度、對流換熱系數(shù)后軸承中軸承加載到有限元模型上求解,即可得到電主軸的溫度前軸承圖14為軸承外圈采用冷卻油時,軸承外圈溫度中軸承溫升隨時間變化的曲線,從圖可以看出,軸承溫度在2006左右達到熱平衡,達到熱平衡后前軸承外圈的時/(x1032壓縮空氣流量/(Ls)溫度為40.93℃,中軸承外圈的溫度為45.72℃,后圖11軸承溫度隨時圖12壓縮氣體流軸承外圈的溫度為43.81℃,即前、中、后軸承外圈間變化曲線量對軸承溫的溫升分別為20.93℃、25.2℃、23.81℃。(n-m=8000/min)升的影響同油脂潤滑時軸承的溫度相比,前軸承的溫升下后軸承中軸承降了17.78℃,中軸承的溫升下降了17.13℃,后軸承的溫升下降了842℃,軸承溫升得到顯著改善。前軸承中軸承溫升同時熱平衡的時間也減少了將近800s。圖12為壓縮氣體流量對中軸承溫升的影響,由0.8-1.62.43.2410i時間/(×10s)軸承座冷卻油流量/(Lmin圖可知,當(dāng)壓縮氣體流量為零時,中軸承的溫升為3864℃,當(dāng)壓縮氣體流量變?yōu)?L/s時,中軸承的溫圖14軸承溫度隨時圖15軸承座冷卻油間變化曲線流量對軸承升迅速降為23.92℃,當(dāng)壓縮氣體的流量為3Ls時(nma =8000r/min)溫升的影響中軸承的溫升為19.23℃,可見采用油-氣潤滑可以和油脂潤滑時軸承的溫升相比,前軸承外圈的溫顯著降低軸承的溫升。通過上面的分析表明,電主軸在800ymi0l,度下降了13.85℃,中軸承外圈的溫度下降了11.58℃,后軸承外圈的溫度下降了3.13℃,而且熱中軸承的溫升最高,為2017℃,和油脂潤滑時相比平衡時間也縮短了將近800(1mi)。下降了17℃,主軸軸承溫升得到顯著改善。熱平衡圖15為軸承座冷卻油的流量對中軸承溫升的影時間減少了800這說明采用油-氣潤滑后,電主響,由圖可以看出,在軸承外圈冷卻油的流量為零時,中軸承外圈的溫升為3947℃,當(dāng)軸承外圈冷卻通過分析得出,在采用油-氣潤滑時,油一氣潤油的流量為1L/min,中軸承的溫升迅速降為滑壓縮氣體的流量為2L/s,壓力為0.4MPBa,電機28.26℃,當(dāng)冷卻油的流量達到3Lmin時,中軸承的定子冷卻液的流量為25Lmn時,即可滿足電主軸溫升降為2572℃,這時再繼續(xù)增加冷卻油的流量,的工作要求。冷卻效果不是很明4.2電主軸軸承座采用油-水冷卻時的軸承溫升通過以上計算分析表明,電主軸在8000/min和前面分析過程一樣,首先要對電主軸的結(jié)構(gòu)進中軸承外圈的溫度最高.為45.72℃,即溫升為行簡化將電主軸剖面的一半用來建立有限元分析模25721中國煤化工升相比,下降了型。忽略所有小結(jié)構(gòu),并進行有限元網(wǎng)格劃分。圖118CNMHG降低,而且熱平衡13為其有限元分析模型。時間也縮短了將近800s(13mn),這說明對軸承外電主軸溫度場求解初始條件如下:圈采用冷卻油進行強制冷卻,主軸軸承的溫升能夠得(1)軸承外圈冷卻油的流量為Q=3L/min,冷到顯著改善。《機床與液壓》2006.No7該方案和軸承采用油一氣潤滑一樣,均具有很好以在一定程度上減少電主軸的熱變形,但是要徹底解的效果。但是從經(jīng)濟成本上來考慮,對電主軸軸承外決熱變形產(chǎn)生的誤差,必須對熱變形進行補償。圈進行強制冷卻的方案較好。參考文獻5電主軸前端熱變形分析【】張伯霖,楊慶東,陳常年,高速切削技術(shù)及應(yīng)用電主軸在工作時產(chǎn)生發(fā)熱,引起熱變形,這會影[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002響機床主軸工作的加工精度。為了分析熱變形對加工【2】郭軍.基于熱接觸分析的電主軸熱態(tài)特性研究[D]精度的影響,有必要對電主軸的熱變形進行分析。廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2005:48在對電主軸進行熱變形分析時,采用的是熱-結(jié)【3】易日.使用ANSY6.1進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[M].北構(gòu)耦合單元 planel3和平面(2D)接觸單元cont17l京:北京大學(xué)出版社,2002.和 targel69。作者簡介:郭軍,湖北公安人。主要從事高速加工裝圖16為油脂潤滑時電主軸前端的位移隨時間變備與有限元仿真研究。電話:1356013905,E-mail化的曲線,從圖可以看出,主軸前端的軸向和徑向位um963010.cm收稿日期:2005-05-18移在2800s后達到穩(wěn)定,其軸向位移為56.1μm,徑向位移為16.6μm。主軸前端軸向位移(上接第25頁)64主軸前端軸向位移【3】董紅召,楊燦軍,陳鷹.基于XML的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造本目x體論的研究[J].中國機械工程,2003,14(7)567-571.24主軸前端徑向位移主軸前端徑向位移【4】鄧志鴻,唐世渭,楊冬青.面向語義集成——本體在Web信息集成中的研究進展[J],計算機應(yīng)用,081.62.43.20.81.624324時間/(×103)2002,22(1):15-17圖16主軸前端位移隨圖17主軸前端位移隨【5】楊曉青,陳家訓(xùn).語義Web[J計算機應(yīng)用研究,時間變化曲線時間變化曲線200(6):60-63(油脂潤滑(油-氣潤滑,【6】楊秋芬,陳躍新. 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Data and Knowledge這兩種方案均可顯著改善軸承溫升,考慮到生產(chǎn)成Engineering,1998,25(1-2):161-197作者簡介:吉鋒(19-),男,江蘇揚州人,西北本,采用第二種方案較好,即對軸承外圈進行強制冷工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向:CMS、網(wǎng)絡(luò)化制造、語義Web等研究,電話:021-(3)實驗數(shù)據(jù)分析表明,有限元分析與實驗測50805188-68,E-mil:feng-ji@shou.com。何衛(wèi)平試數(shù)據(jù)的誤差在7%以內(nèi),這表明有限元分析模型和(1965-),男,甘肅天水人,博士生導(dǎo)師。主要研究方熱邊界條件處理是合理的。向中國煤化工;魏從剛(1972-)(4)通過對油脂潤滑和油-氣潤滑兩種方案的男CNMHG工程學(xué)院博土研究生。熱位移對加工精度的影響進行計算分析,結(jié)果表明:董蓉(u81-),女,四興平人,西北工業(yè)大學(xué)機電工在采用油-氣潤滑后,主軸前端的軸向熱位移比油脂程學(xué)院碩士研究生潤滑時減少了18.2μm,徑向位移減少了4.6μm?？墒崭迦掌?2005-05-23