數(shù)控機(jī)床高速電主軸的熱態(tài)特性分析

魏效玲，李小銳，玉新民，王杰華

(1.河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院 河北邯鄲056038;2.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)，河北邯鄲056000)

高速電主軸內(nèi)置電機(jī)大量的熱生成以及附加的轉(zhuǎn)子質(zhì)量增加了其熱態(tài)特性復(fù)雜性，因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究［1]。Tedric A.Harri［2]提出了計(jì)算主軸系統(tǒng)溫度分布的微分方程，B.Bossmanns［3]提出了基于有限差分法的高速電主軸軸熱分析模型。

軸承的摩擦熱與電機(jī)發(fā)熱是影響主軸溫升的兩個(gè)重要因素。由于電機(jī)和軸承的發(fā)熱必定會(huì)使電主軸的溫度升高，進(jìn)一步產(chǎn)生熱應(yīng)力及熱變形，降低其傳動(dòng)精度［4－5]。因此，本文基于有限元分析法對(duì)高速電主軸的熱態(tài)特性進(jìn)行分析研究，并提出了改善電主軸熱態(tài)特性的具體措施。

1 高速電主軸熱特性分析

1.1 高速電主軸結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床的高速電主軸是一種新型的主軸驅(qū)動(dòng)方式，它將調(diào)速電機(jī)與主軸做成一體，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與機(jī)床主軸做成一體，省去中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此有效地提高了主軸部件的剛度，由于電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的影響較大，定子外部需要專門有一套主軸冷卻裝置對(duì)其進(jìn)行冷卻［6－7]。

1.2 電主軸的傳熱機(jī)理

電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱量通過三種途徑釋放:第一部分經(jīng)過定子的油－水交換系統(tǒng)將熱量排出;第二部分通過軸承的油－氣潤滑冷卻系統(tǒng)將熱量排出;第三部分由端部釋放到空氣中，通過主軸箱體導(dǎo)出。

1.3 電主軸發(fā)熱率的計(jì)算

為了更好的分析電主軸的熱態(tài)特性，本文對(duì)電主軸電機(jī)定子的生熱率、電機(jī)轉(zhuǎn)子的生熱率、前、后軸承的生熱率進(jìn)行了計(jì)算［8－9]，計(jì)算結(jié)果見表3。通過計(jì)算得知電機(jī)的發(fā)熱與軸承的摩擦發(fā)熱是主軸系統(tǒng)的兩大主要熱源。

式中qs－電機(jī)電子生熱率，w/m3;Qs－熱源發(fā)熱量，W;Vs－熱源的體積，m3;ls－定子鐵的長，m;ds0、dst－定子內(nèi)外鐵芯直徑;qr－電機(jī)轉(zhuǎn)子生熱率，w/m3;Qr－熱源發(fā)熱量，W;Vr－熱源的體積，m3;lr－轉(zhuǎn)子鐵的長，m;dr0、drt－轉(zhuǎn)子的內(nèi)外鐵芯直徑。

式中qf－前軸承生熱率，w/m3;Qf－熱源發(fā)熱量，W;dm、Db－軸承的外圈直徑與節(jié)圓直徑，m;qb－后軸承生熱率，w/m3;Qb－熱源發(fā)熱量，W;dm、Db－軸承的外圈直徑與節(jié)圓直徑，m。

1.4 電主軸密封環(huán)的對(duì)流換熱系數(shù)

由于前、后密封環(huán)之間的氣隙很小，所以可以假設(shè)空氣處于紊流狀態(tài)。要想得到對(duì)流換熱系數(shù)先求出努賽爾數(shù)。

式中Nu－努賽爾數(shù);γ1－密封環(huán)氣隙平均半徑;δ－定、轉(zhuǎn)子間的氣隙。

1.5 電主軸與外部空氣的傳熱

電主軸與外部空氣的換熱由輻射傳熱與對(duì)流傳熱來決定。其復(fù)合傳熱的傳熱系數(shù)α可由下式確定。

式中αc－對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃);αr－輻射換熱系數(shù)W/(m2·℃)。

1.6 電主軸熱特性值計(jì)算

把實(shí)際參數(shù)(見表1和表2)代入以上相應(yīng)的公式可以得到高速電主軸相應(yīng)的熱特性值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表1 電機(jī)主參數(shù)Tab.1 Main parameter of the motor

表2 軸承主參數(shù)Tab.2 Main parameter of the bearing

表3 主要計(jì)算結(jié)果［生熱率單位w/m3;換熱系數(shù)單位Wg(m2·g·℃)] Tab.3 Main computing results

2 電主軸的有限元分析

2.1 構(gòu)建幾何模型

電主軸近似為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡化模型，把電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子看作厚壁圓筒，選取電主軸的剖面建立幾何模型［10]。本文選用ANSYS軟件熱分析中的PLANE13進(jìn)行熱分析，該單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有四個(gè)自由度。經(jīng)過施加載荷、求解，對(duì)電主軸有限元模型網(wǎng)格劃分，可得到高速電主軸有限元分析模型，其模型共有2 580個(gè)單元、2 920個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速nmax=8 000 r/min，定子冷卻油的流量為2.5 L/min時(shí)，將表3相應(yīng)參數(shù)帶入ANSYS有限元分析軟件，得到電主軸的溫度場模型，如圖2所示。

由圖2可知，轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度最高，約為119℃，轉(zhuǎn)子的發(fā)熱在鐵芯處積累不能有效的釋放導(dǎo)出，所以溫度較高。定子鐵芯溫度略低，說明電機(jī)定子外部的冷卻液對(duì)控制其溫升有較好的作用。

2.2 軸承預(yù)緊力的影響

圖3是預(yù)緊力對(duì)前、后軸承溫升的影響曲線圖。可知，隨著預(yù)緊力倍數(shù)的急劇增加，電主軸前軸承的溫升由36℃上升到37℃，后軸承的溫升由33℃上升到34℃，所以說預(yù)緊力在一定的變化幅度范圍內(nèi)，軸承溫升變化很小。

2.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

圖4是轉(zhuǎn)速對(duì)主軸前、后軸承的溫升曲線圖。可知，當(dāng)主軸的轉(zhuǎn)速由8 000 r/min下降到2 000 r/min時(shí)，前后軸承的溫升均下降了10℃左右，說明電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)軸承的溫升影響很大。

2.4 冷卻空氣流量的影響

圖5是空氣流量對(duì)前、后軸承溫升的影響曲線圖。可知，當(dāng)空氣流量由0.5 L/min上升到4.5 L/min時(shí)，前軸承的溫升下降了30℃左右，后軸承的溫升下降了20℃左右。說明空氣流量的大小對(duì)主軸的溫升起著決定性的作用。

2.5 改善電主軸的熱態(tài)特性

(1)減小發(fā)熱:采用低摩擦陶瓷球類軸承。(2)改善潤滑方式。(3)改變導(dǎo)熱途徑，在電機(jī)與主軸之間設(shè)置隔熱層。(4)加強(qiáng)散熱途徑，加強(qiáng)機(jī)座散熱面積。(5)加強(qiáng)冷卻措施，加大主軸內(nèi)部冷卻油流量;加強(qiáng)主軸箱體內(nèi)壓縮空氣流量。

3 結(jié)論

1)電機(jī)定子外部的冷卻液對(duì)控制其溫升有較好的作用。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小在很大程度上影響著主軸的溫升情況。

3)加大冷卻空氣的流量可以明顯改善主軸的溫升情況。

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