車銑復合加工中心電主軸系統的溫度場分析*

2012-11-24 04:41:48由東旭高英賢

組合機床與自動化加工技術 2012年10期

孫娜，由東旭，高英賢，王薈

(大連機床集團技術中心，遼寧大連 116620）

0 引言

電主軸系統是車銑復合加工中心的核心功能部件，因電機和軸承的生熱不可避免，隨著轉速升高，主軸系統溫度不斷上升。由此引起的熱變形是影響機床加工穩定性的重要因素［1］。本文采用有限元方法建立電主軸系統合理模型，通過把計算得到的生熱和傳熱參數以邊界條件形式施加到有限元模型上，計算得到主軸系統溫度場分布，并進行分析。

1 電主軸系統生熱和散熱分析

電主軸內部傳熱是個復雜的生熱和散熱過程，影響因素較多。電主軸兩個主要的熱源為內裝式電動機的發熱和軸承的摩擦發熱［2］。電主軸產生的部分熱量通過與冷卻系統進行對流傳熱被帶走，還有部分熱量傳到主軸和軸承上，導致主軸和軸承溫度升高變形，影響機床加工精度。電主軸系統的傳熱主要可分為三類:電機和軸承的生成熱量向主軸和主軸箱體的傳熱;主軸冷卻系統對主軸部件的對流換熱;空氣與主軸部件的對流換熱，如圖1所示。

圖1 電主軸系統的傳熱過程圖

1.1 電動機生熱

研究發現電動機有近1/3的熱量是由電動機轉子產生，并且轉子產生的部分熱量通過定子與轉子的氣隙傳入定子中，部分熱量直接傳到主軸和軸承上。其余2/3的熱量由定子產生。假定電動機的額定功率損耗全部轉化為熱量。定子和轉子各自簡化為厚壁圓筒，通過公式(1）計算得到定子和轉子的生熱率:

式中:Q——熱源發熱量;

1.2 軸承生熱

滾動軸承的發熱主要是由于軸承的摩擦力矩引起的，Palmgren通過實驗研究給出了摩擦力矩的計算公式，并認為在中等載荷和中等轉速條件下，摩擦力矩主要由空載時潤滑油粘性產生的摩擦力矩Mo和與速度無關的載荷作用產生的摩擦力矩Mf兩部分組成。軸承產生的熱量通過公式(2）計算得到:

式中:n——主軸工作轉速，r/min;

M——軸承摩擦力矩［3］，kN·m;

式中:fo——軸承設計和潤滑方式的系數，對于角接觸球軸承脂潤滑方式，fo=2;

w—— 軸承內圈旋轉速度，rad/s;

μ——運轉溫度下潤滑劑的運動粘度，mm2/s;

f1——與軸承類型和所受負荷有關的系數，對于角接觸軸承，f1=0.001;

FS——軸承當量靜載荷，N;

CS——軸承額定靜載荷，N;

Fβ——決定軸承摩擦力矩的計算載荷，按公式計算(若得Fβ小于Fr，則取Fβ=Fr）

Fr——徑向載荷，N;

Fa——軸向載荷，N;

dm——軸承中徑，m。

1.3 電機定子與冷卻油之間的對流換熱

電機定子與冷卻油之間的換熱屬于管內流體強迫對流換熱。冷卻油在定子冷卻套的螺旋矩形槽中流動。螺旋矩形槽的幾何形狀可以展開成截面為矩形的等效油管。冷卻油在管內的不同流態具有不同的換熱規律，所用的換熱系數計算公式也不同，因此必須先通過計算雷諾數Re來判別流態，然后再進行相應的計算［4］。Re是一個無量綱，計算公式如(5）:

式中:u——流體的特征速度，m/s;

v——流體的運動粘度，m2/s;

式中:A——冷卻槽截面積，m2;

U ——濕周，m。

工程計算通常以臨界雷諾數Rec=2200區分層流和紊流。對流體被加熱的情況采用努謝爾特數計算:

式中:Prf——普朗多數，反映物體的流性。

表達式:

式中:cp——流體比熱;

p ——流體密度，kg/m3;

氧化法除硫主要是利用氧化劑的氧化能力差異將水中還原性的硫化物氧化成單質硫沉淀和可溶性的硫代硫酸鹽、硫酸鹽等，單質硫可通過精細過濾裝置去除。油田常用的氧化劑有 O2、H 2 O2、KMn O4、Cl2、ClO2、NaClO、Ca(ClO)2 等，本研究選取 H 2 O2、NaCl O和Cl O2 3種氧化劑，通過實驗評價篩選適合該水質的除硫劑，實驗結果如圖5所示。

v——流體的運動粘度，m2/s;

λ——流體的導熱系數。

最后可以通過公式(9）計算得到定子與冷卻油間

的換熱系數: