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高速電主軸熱態(tài)性能的有限元分析及溫升控制

來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)   作者:機床世界    發(fā)表時(shí)間:2019-01-19    瀏覽量:6095



電主軸作為一種新興的機床主軸結構,采用內裝式電機直接驅動(dòng)形式,和傳統的主傳動(dòng)方式相比,具有結構緊湊、傳動(dòng)鏈短、機械效率高、噪聲低、振動(dòng)小和回轉精度高等優(yōu)點(diǎn)。電主軸的應用不僅大大提高了加工效率和加工質(zhì)量,降低了產(chǎn)品成本,并且可以實(shí)現薄壁零件和難加工材料的精密加工。


高速電主軸是高速數控機床的核心部件,對機床的加工精度和效率影響很大,但其內裝式電機的結構,使得高速電主軸的發(fā)熱量大,散熱條件差,進(jìn)而直接影響到主軸的精度。因此,對高速電主軸熱態(tài)特性的研究與電主軸溫升的控制是電主軸需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。


1 電主軸的結構
   
如圖1所示,為高速立式加工中心上采用的電主軸。其額定功率為18.5KW,額定扭矩為68.7N·m,最高轉速為24000r/min,前后軸承均采用油氣潤滑。



2 電主軸熱載荷的分析及計算
  
2.1 電主軸熱載荷分析
   
高速大功率電主軸的內部熱源主要包括電機的發(fā)熱以及軸承高速運轉條件下的摩擦熱。定子產(chǎn)生的熱一方面通過(guò)對流由冷卻系統的冷卻水帶走,另一方面可以與周?chē)目諝膺M(jìn)行對流。轉子產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導直接傳遞給主軸,同時(shí)轉子與周?chē)諝獯嬖趯α鲹Q熱的作用。


2.2 高速電主軸熱載荷的計算
    
在利用Ansys有限元分析軟件對電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析之前,需對加載在電主軸上的熱載荷進(jìn)行計算,即熱流密度與換熱系數的計算。
    
熱流密度指的是熱源單位體積的熱載荷量,在對電主軸進(jìn)行熱態(tài)性能的分析時(shí),主要考慮電主軸的熱流密度。熱流密度的計算公式為:



 式中:
 q為熱流密度,單位為W/m3,
 Q為熱源的發(fā)熱量,單位為W,
 V為熱源的體積,單位為m3。
利用(1)式分別對電主軸的主要熱源:電機定子與轉子及前后軸承的熱載荷進(jìn)行計算。 


2.2.1 電機的熱載荷的計算
   
電動(dòng)機的定子和轉子的發(fā)熱來(lái)源于電動(dòng)機的損耗。所產(chǎn)生其的熱量中1/3是由轉子產(chǎn)生的,2/3的熱量由定子產(chǎn)生,將定子和轉子看成厚壁圓筒,根據熱源密度的計算公式:



式中:
d0為定子(轉子)的內徑尺寸,單位為mm;
d1為定子(轉子)的外徑尺寸,單位為mm。
其中定子的內徑為114mm,外徑為179.5mm,轉子的內徑為75mm,外徑為112mm,長(cháng)度L為220mm。根據公式(2)求得定子的熱源密度為898KW,轉子的熱源密度為832KW。
    
電機定子外殼采用螺旋槽結構的冷卻套,在螺旋槽中通入冷卻水,使其與定子進(jìn)行熱交換,降低定子的溫升,進(jìn)而減少電機發(fā)熱對主軸精度的影響。
    
在強對流條件下,傳熱系數的計算公式為: 



式中:
α為傳熱系數,單位為W/(m2·℃);
D為軸徑,單位為m;
λf 為流體導熱系數,W/(m2·℃)。 



式中:
Ref 為雷諾系數;
Prf 為普朗特系數。
根據式(3)與式(4)可確定在冷卻水輸入溫度為25℃ 時(shí),定子冷卻套的產(chǎn)熱系數為256.5W/(m2·℃)。 


2.2.2 軸承熱載荷的計算
   
電主軸在高速條件下,軸承滾子與滾道的滾動(dòng)摩擦、由陀螺力矩產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦為軸承發(fā)熱的主要原因。該電主軸單元采用的是角接觸陶瓷球軸承,其部分技術(shù)參數由表1所示。 



軸承的摩擦熱可由Palmgren公式計算: 



式中:
Qf 為軸承摩擦的發(fā)熱量,單位為W;
M為軸承的摩擦總力矩,單位為N·m;
N為軸承的轉速,單位為r/min。
摩擦總力矩計算公式: 



式中:
M1為軸承負荷、接觸彈性變形量及滑動(dòng)摩擦有關(guān)的摩擦力矩;
M2為軸承負荷大小、潤滑劑用量、粘度及軸承轉速有關(guān)的摩擦力矩。 



式中:
f1 為負荷系數,與軸承的額定靜負荷C0和當量靜負荷P0有關(guān);
P1 為軸承摩擦力矩發(fā)熱計算負荷;
dm為軸承中徑。 



由上述公式可確定出前軸承的生熱率為0.785×107W/m3,后軸承的生熱率為0.65×107W/m3。 


3 電主軸熱態(tài)特性的有限元分析
   
根據電主軸軸對稱(chēng)的結構特點(diǎn),選用Ansys軟件熱分析中的plane55單元(該單元有4個(gè)節點(diǎn),節點(diǎn)自由度為溫度)對其進(jìn)行熱分析。分析時(shí),取電主軸上半部分作為分析模型,為保證精確計算的前提,建立有限元模型時(shí),省略電主軸結構中的后支座與拉刀機構,忽略電主軸上的螺紋孔、通氣孔等細小結構。對電主軸的有限元模型進(jìn)行劃分如圖2所示。 



將計算出的熱源生熱率與傳熱系數加載在有限元模型上,求解出環(huán)境溫度為25℃,電主軸的轉速為14000r/min時(shí)電主軸的穩態(tài)溫度場(chǎng)如圖3所示。  



從圖3中可以看出,電主軸的最高溫度出現在電機的定子處,溫升(設置初始溫度為25℃,)達到了84.909℃,由于電機產(chǎn)生的熱量很難散發(fā),熱量積累使得轉子處的溫升達到最大。而在電機定子與冷卻套附近,在冷卻套的作用下,溫升不高。軸承處的溫升為66.792℃,軸承本身的發(fā)熱量較大,因其采用油氣潤滑的方式,壓縮空氣可以帶走軸承的部分熱量,對軸承有一定的冷卻作用。 


4 電主軸溫升的檢測與控制
  
電主軸定子處的溫度采用鎳鉻,鎳硅熱電偶進(jìn)行測量,采用PLC對溫度進(jìn)行控制,溫度在25℃~28℃,時(shí),采用自然冷卻。若測量溫度大于上限值28℃,通過(guò)調節冷卻裝置水泵的壓力,加快冷卻水的流速,進(jìn)而加強電主軸的對流換熱作用,達到降低電主軸溫度的目的??刂屏鞒虉D如下圖4所示。 



電主軸在高速運轉的過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱,熱變形對加工精度的影響很大。為提高高速加工中心的加工精度,對電主軸工作時(shí)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與監控,在溫升過(guò)高時(shí),通過(guò)改變冷卻系統水泵的壓力加強冷卻效果,可以有效的降低電主軸的溫升,減少熱變形,達到提高高速加工中心加工精度的目的。 


5 結束語(yǔ)
  
(1)電主軸的熱態(tài)特性的分析結果表明:電主軸在高速運轉過(guò)程中,電機定子與軸承的溫升很高,因此也是電主軸的兩個(gè)主要熱源。
  
(2)電主軸在高速運行1800s后,溫升開(kāi)始達到最大,可通過(guò)對軸身溫度的檢測與控制,調節水泵的壓力,加快冷卻水的水流速度的方法,加強冷卻系統的對流換熱的作用,達到冷卻電主軸的目的。