基于热接触分析的电主轴热态特性研究

26《机床与液压》2006.No.7基于热接触分析的电主轴热态特性研究郭军,张伯霖,肖曙红,赵虎2(1.广东工业大学机电学院,广州510090;2.广州敏捷制造技术有限公司,广州511450)摘要:采用热接触有限元分析方法对电主轴的温度场进行了分析,并且通过实验对有限元分析模型进行了校核和验证,提出了改善电主轴热态特性的措施,对改进措施的效果进行有限元分析,分析表明改进措施具有良好效果。分析了在油脂润滑和油-气润滑条件下电主轴温升所引起的的热变形,结果表明降低主轴温升对减小主轴的热变形具有明显效果。关键词:电主轴;热接触;温度场;热变形中图分类号:TK730.3+21文献标识码:A文章编号: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电主轴是机床实现高速加工的前提和基本条件,工作条件,将电机后置,在主轴前端采用两对角接触目前电主轴一般是采用内置式电机直接驱动的,它能钢球轴承前轴承1和中轴承2,并采用定位预紧,油够传递很高的转速和扭矩,而且刚性好,结构紧凑,脂润滑,在电机后端采用一深沟球轴承3作为辅助支可大大提高机床的生产效率和工件的加工质量。但承是这种结构也存在一个缺陷——主电机的散热条件比1电主轴热接触耦合有限元分析模型较差,轴承温升比较高。为了改善电主轴的热态特电主轴中主要有两大热源:电机和前、后轴承性,迫切需要对电主轴的温度场和热变形进行深入研在电主轴结构中,电机转子前后轴承与主轴均采用过究。本文通过利用 ANSYS有限元分析软件提供的热盈配合来传递扭矩,同时它们之间也会存在大量的热接触耦合单元对电主轴的热态特性进行研究,并通过传递,为了精确计算它们之间传热,可以采用AN实验进行修正有限元分析模型,使有限元分析的计算SYs的接触单元 contal71与 targel69和热分析单元结果误差在10%以内,掌握影响电主轴热态特性的 plane55来进行热耦合分析计算。平面接触单元com主要因素,为今后电主轴新产品的研制提供理论依tl71和 I targel69可以生成一“接触对”,用来计算两据,缩短新产品的开发时间,提高企业的竞争力。个过盈配合实体之间的传热。笔者和广州某机床公司合作开发研制了一种新型由于电主轴整体上可视为轴对称结构,故可对电结构的车铣中心电主轴,如图1所示主轴剖面的一半来建立有限元分析模型。为了简化计算,忽略所有的螺钉孔以及其它一些细小结构。图2为电主轴简化后的热接触有限元分析模型图1车铣中心电主轴结构示意图十坳抽幽阻元分析模型中国煤化工该电主轴的额定功率为1lkW,额定扭矩为642分析求解·m,最高转速为8000/min。为了改善主轴轴承的CNMHG比,在此按照实验*基金项目:科技部“十·五”重点攻关资助项目(N2001BA203B5)《机床与液压》2006,No.7的条件对电主轴的温度场进行分析,其工作条件及其参数如下己LL1)主轴电机的额定的功率为1lkW,功率损失为2.09kW,并假设损失的功率全部转化为热,其中电机定子占2/3,电机转子占1/3。48.8670.19754.53265.86277,191(2)前轴承和中轴承采用的是角接触钢球滚动轴承,其型号均为B7014E,轴承的内径为70mm,外图3电主轴温度场(n-m=800r/min)径为110mm,轴承宽度为20mm,接触角为25°,额图4为轴承温度随时s深沟球轴承,其型号为602,轴承的内径为示,在28在右轴承温翻后轴承60m,外径为9m,额定动载荷为29kN,额定静度达到平衡,达到平衡载荷为23.2kN;其润滑方式均为油脂润滑。后,其温度与前面温度场(3)油-水热交换系统冷却油的流量为Q=中的温度一样80016002400320040005L/min,入口温度为Tn=20℃。时间/s图5为主轴转速对轴(4)环境温度为T.=20℃。承温升的影响,从图可以图4轴承温度随时表l为电主轴的热边界条件2,通过 ANSYS有看出,后轴承随主轴转速间变化曲线限元分析软件将其加载到有限元分析模型上,进行分的温度变化不大,在主轴(n=8000/min析求解,即可得到电主轴的温度场分布。转速为200y/min时,后轴承外圈的温升为21.6℃表1电主轴热边界条件参数说明后轴承的温升受电机转子发热的影响比较大。参数名称计算结果电机定子的生热率/(Wm3)567218电机转子的生热率/(W·m3)467353前轴承、中轴承的生热率/(Wm3)6264913→前轴承温升后轴承的生热率/(W·m3)7164164主轴转速(×103rmin1定子冷却油流量/(Lmin)轴前后端与周围空气的对流换热106.9系数/[W·(m2.℃图5主轴转速对轴承图6定子冷却油的流量对电机定子和冷却油的换热系数温升的影响前轴承温升的影响161.9/[W·(m2.℃)前轴承和中轴承油脂润滑孔处的温升均随主轴转转子端部与周围空气的换热系数速的增加而不断增加,在200min时,前轴承油脂140.1/[W·(润滑孔处的温升为12.22℃,中轴承油脂润滑孔处的主轴静止不动外表面与周围空气对流换温升为15.59℃,在主轴转速为80min时,前轴9.7热[W·(m2·℃)]承油脂润滑孔处的温升为3478℃,中轴承油脂润滑图3为电主轴转速为800ymin时的温度场,由孔处的温升为37.30℃。图可以看出,电机定子芯部最高为51.69℃,电机转图6为电机定子冷却油的流量对轴承温升的影子芯部最高温度为719℃,轴的芯部最高温度几乎响,从图可以看出,在电机冷却油的流量为零时,前和转子一样。尽管电机转子的发热量只有电机定子的轴承油脂润滑孔处的温升为5369℃,当冷却油的流1/2,但是由于电机定子有冷却油进行冷却,而转子量为0.5L/mn时,前轴承的温度迅速降为3867℃。的热量只有通过主轴两端和定子进行散热,所以散热当冷却油流量达到2L/mim时,前轴承的温升为条件比较差,温度相对来说比较高。同时也说明冷却35.28℃。冷却油流量达到2.5L/min后再继续增加冷液对改善电机定子温升起到了很好的作用。却油的流量对降低轴承的温升效果不是很明显从图3还可以看出主轴前端轴承处温度也比较3电主轴温升测试实验高,前轴承油脂润滑孔处的温度为5478℃,中轴承为了对前述车削电主轴温度场计算结果的可靠性油脂润滑孔处的温度为57.30℃,后轴承外圈的温度进行中国煤化工建部位在各个转速下为46.94℃,即温升分别为347℃、37.30℃、的温CNMHG图7所示26.93℃,主轴后端温度由于远离热源,而且还和周头性十,电土木西门子驱动系统进行围空气存在强迫对流,所以温度比较低,其温度为驱动,实现无级变速。电机定子中装有一个温度传感26.21℃。器,可以在数控系统的控制面板显示屏上显示电机定《机床与液压》2006Na7测温头时,前轴承的实验温升为38.5℃,其温升比较大,超出了轴承温升的标准,必须采取措施来改善轴承的温升。图10为电机定子的理论计算与实验测试温度,主轴转速为6000ymin时误差最大,理论计算温度为49.39℃,实验测试温度为47℃,误差为5%。通过对前轴承、中轴进水口出水口油水热交换承和电机定子的理论计算温度与实验测试的温度进图7电主轴实验装置行比较分析可以得出以下子在工作过程中的温度变化情况,同时还可以显示电结论:亠电机定子理论计算温度电机定子实验测试温度主轴工作循环的时间。1)电机定子、前“0246主轴转速(X103rmin)在温升实验时,采用的是TES-1310型数显温轴承和中轴承油脂润滑孔度表,该数位温度表配有一测温头,其探头的直径为处的理论计算温度与实验图10电机定子理论计算温3m,可以插入轴承油脂润孔(孔的最小直径为测试的温度误差在7%以度与实验测量温度4mm),对电主轴轴承外圈附近的温度进行测量。该内;说明理论计算和实际计算的数据比较接近,具有测温表的量程为-50~200℃。可信性,理论计算的温度场可以用来反映电主轴的实实验条件如下:际温度场,理论计算已具备足够的精度,在一定程度(1)环境温度为T。=20℃;上可以用来指导电主轴的研制。(2)油-水热交换系统冷却油的流量为Q(2)主轴转速低于600/min时,前轴承和中轴2.5L/min,冷却油的运动粘度为26×106m2/,人承的温升均可满足使用要求;在主轴转速为800口温度为T。=20℃。r/min时,前轴承最高温升(实验测试)为34℃,中为了能有效的检验有限元计算分析的正确性,选轴承的最高温升为385℃。前轴承和中轴承的最高取了电主轴的主要热源为研究对象,分别对电机定温升均超过了主轴轴承的温升标准,因此必需采取有子、前轴承和中轴承油脂润滑孔在各转速下的温度进效措施加以改进。行了测量。4改善电主轴热态特性的措施图8为前轴承油脂润滑孔的理论计算与实验测试为了改善电主轴轴承的热态特性,可以采用以下温度,如图所示,主轴转速为600r/min时,理论计算结果与实验结果误差最大,理论计算温度为(1)采用油-气润滑对主轴轴承进行冷却润滑46.01℃,实验测试温度为43℃,其误差为7%。(2)由于该电主轴的结构比较特殊,前轴承和从图8可以看出,主轴转速为800/min时,前中轴承都集中在主轴前端,结构比较紧凑,可以借鉴轴承的实验温升为34℃,其温升比较大,超出了主电机定子的冷却方式,考虑在轴承座开环形冷却槽,轴轴承温升的标准。通过油-水热交换系统来对轴承外圈进行强制冷却。为了说明电主轴采用油-气润滑和对主轴轴承座采用油-水热交换系统强制冷却后的效果,下面分别对这两种改进后的电主轴进行基于热接触耦合的热态20→前轴承理论计算温度中轴承理论计算温度特性分析。10前轴承实验测试温度中轴承实验测试温度4.1电主轴油-气润滑时轴承的温升电主轴温度场计算的初始条件如下主轴转速(03rmin)主轴转速(×103rmia)(1)轴承油-气润滑系统压缩气体的流量为图8前轴承理论计算温图9中轴承理论计算温Q=25L/s,压缩气体压力为04MPa,温度为T度与实验测试温度度与实验计算温度2℃,压缩气体与轴承的对流换热系数a=216.39图9为中轴承油脂润滑孔的理论计算与实验测试W/中国煤化工温度,由图可知,主轴转速为200/min时,理论计CNMHG80OOr/mino算结果与实验误差最大,中轴承的理论计算温度为具条余仟向沺脂润宿呵一枰。35.98℃,实验测试温度为33.6℃,误差为6.9%。电机转子、定子和轴承的生热率以及电主轴各个从以上分析可以看出,主轴转速为8000ymin部位与周围空气的对流换热系数同采用油脂润滑时《机床与液压》2006.N07样,温度场分析单元的选择,有限元网格的划分均保持不变。将热载荷、热边界条件以及油-气润滑对流换热系数加载到有限元模型上进行分析求解,即可得到电主轴的温度场。为了简便起见,这里只对轴承的温升进行说明。图11为轴承温度随时间变化的曲线,从图可以图13电主轴热接触藕合分析模型看出,轴承的温度在200右达到平衡,达到热平却油的运动粘度为26×10m2/s,其对流换热系数衡后,前轴承、中轴承油一气润滑孔处的温度分别为a=19869W/(m2·℃);17℃,后轴承外圈的温度为38.51℃。前(2)主轴的工作转速为n=800/min,轴承采轴承和中轴承的温升分别为17℃和20.17℃,.后轴用油脂润滑。承的温升为18.51℃。电主轴的热载荷、生热密度以及对流换热系数与前面油脂润滑时的一样。将生热密度、对流换热系数后轴承中轴承加载到有限元模型上求解,即可得到电主轴的温度前轴承图14为轴承外圈采用冷却油时,轴承外圈温度中轴承温升随时间变化的曲线,从图可以看出,轴承温度在2006左右达到热平衡,达到热平衡后前轴承外圈的时/(x1032压缩空气流量/(Ls)温度为40.93℃,中轴承外圈的温度为45.72℃,后图11轴承温度随时图12压缩气体流轴承外圈的温度为43.81℃,即前、中、后轴承外圈间变化曲线量对轴承温的温升分别为20.93℃、25.2℃、23.81℃。(n-m=8000/min)升的影响同油脂润滑时轴承的温度相比,前轴承的温升下后轴承中轴承降了17.78℃,中轴承的温升下降了17.13℃,后轴承的温升下降了842℃,轴承温升得到显著改善。前轴承中轴承温升同时热平衡的时间也减少了将近800s。图12为压缩气体流量对中轴承温升的影响,由0.8-1.62.43.2410i时间/(×10s)轴承座冷却油流量/(Lmin图可知,当压缩气体流量为零时,中轴承的温升为3864℃,当压缩气体流量变为1L/s时,中轴承的温图14轴承温度随时图15轴承座冷却油间变化曲线流量对轴承升迅速降为23.92℃,当压缩气体的流量为3Ls时(nma =8000r/min)温升的影响中轴承的温升为19.23℃,可见采用油-气润滑可以和油脂润滑时轴承的温升相比,前轴承外圈的温显著降低轴承的温升。通过上面的分析表明,电主轴在800ymi0l,度下降了13.85℃,中轴承外圈的温度下降了11.58℃,后轴承外圈的温度下降了3.13℃,而且热中轴承的温升最高,为2017℃,和油脂润滑时相比平衡时间也缩短了将近800(1mi)。下降了17℃,主轴轴承温升得到显著改善。热平衡图15为轴承座冷却油的流量对中轴承温升的影时间减少了800这说明采用油-气润滑后,电主响,由图可以看出,在轴承外圈冷却油的流量为零时,中轴承外圈的温升为3947℃,当轴承外圈冷却通过分析得出,在采用油-气润滑时,油一气润油的流量为1L/min,中轴承的温升迅速降为滑压缩气体的流量为2L/s,压力为0.4MPBa,电机28.26℃,当冷却油的流量达到3Lmin时,中轴承的定子冷却液的流量为25Lmn时,即可满足电主轴温升降为2572℃,这时再继续增加冷却油的流量,的工作要求。冷却效果不是很明4.2电主轴轴承座采用油-水冷却时的轴承温升通过以上计算分析表明,电主轴在8000/min和前面分析过程一样,首先要对电主轴的结构进中轴承外圈的温度最高.为45.72℃,即温升为行简化将电主轴剖面的一半用来建立有限元分析模25721中国煤化工升相比,下降了型。忽略所有小结构,并进行有限元网格划分。图118CNMHG降低,而且热平衡13为其有限元分析模型。时间也缩短了将近800s(13mn),这说明对轴承外电主轴温度场求解初始条件如下:圈采用冷却油进行强制冷却,主轴轴承的温升能够得(1)轴承外圈冷却油的流量为Q=3L/min,冷到显著改善。《机床与液压》2006.No7该方案和轴承采用油一气润滑一样,均具有很好以在一定程度上减少电主轴的热变形,但是要彻底解的效果。但是从经济成本上来考虑,对电主轴轴承外决热变形产生的误差,必须对热变形进行补偿。圈进行强制冷却的方案较好。参考文献5电主轴前端热变形分析【】张伯霖,杨庆东,陈常年,高速切削技术及应用电主轴在工作时产生发热,引起热变形,这会影[M].北京:机械工业出版社,2002响机床主轴工作的加工精度。为了分析热变形对加工【2】郭军.基于热接触分析的电主轴热态特性研究[D]精度的影响,有必要对电主轴的热变形进行分析。广州:广东工业大学,2005:48在对电主轴进行热变形分析时,采用的是热-结【3】易日.使用ANSY6.1进行结构力学分析[M].北构耦合单元 planel3和平面(2D)接触单元cont17l京:北京大学出版社,2002.和 targel69。作者简介:郭军,湖北公安人。主要从事高速加工装图16为油脂润滑时电主轴前端的位移随时间变备与有限元仿真研究。电话:1356013905,E-mail化的曲线,从图可以看出,主轴前端的轴向和径向位um963010.cm收稿日期:2005-05-18移在2800s后达到稳定,其轴向位移为56.1μm,径向位移为16.6μm。主轴前端轴向位移(上接第25页)64主轴前端轴向位移【3】董红召,杨灿军,陈鹰.基于XML的网络协同制造本目x体论的研究[J].中国机械工程,2003,14(7)567-571.24主轴前端径向位移主轴前端径向位移【4】邓志鸿,唐世渭,杨冬青.面向语义集成——本体在Web信息集成中的研究进展[J],计算机应用,081.62.43.20.81.624324时间/(×103)2002,22(1):15-17图16主轴前端位移随图17主轴前端位移随【5】杨晓青,陈家训.语义Web[J计算机应用研究,时间变化曲线时间变化曲线200(6):60-63(油脂润滑(油-气润滑,【6】杨秋芬,陈跃新. 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