高速電主軸熱結構耦合分析

高 震 齊向陽 丁 超 常 雷

(天津工業大學 機械工程學院 天津 300387)

一、仿真流程

首先根據高速電主軸中所選用的軸承參數以及規定的轉速和確定的預緊力來計算出軸承生熱，然后根據冷卻條件計算出相應的對流換熱系數，再通過ansys進行所劃分的第一個時間步的仿真。根據得到的溫度再進行相應的結構變形場仿真，在變形場中得到需要的重要數據，更新一些重要參數，重新進行下一時間步的仿真，直到最后達到穩定狀態。

二、高速電主軸邊界條件計算

軸承的生熱計算[1]，電機的生熱計算[2]，空氣的對流換熱系數[3]，接觸熱阻的計算[4]計算不再贅述，軸承和電機的參數如表1所示。

表1 具體參數

冷卻液對流換熱系數可借由仿真得到。由于流道位置的情況很復雜，通過理論的計算很難得到準確的數值，因此利用有限元仿真，提取表面的關鍵數值可以得到比較準確的對流換熱系數，再將系數導入到瞬態熱仿真。

三、仿真過程

(一)瞬態溫度場和結構場仿真

瞬態溫度模塊與接觸熱阻相關的條件是熱傳導系數，因此需要進行轉化，計算公式[4]如下所示：

Tr——熱傳導系數；

A——滾動環與軸承內圈接觸面積，s。

將相應的條件加載到瞬態溫度場模塊中進行第一個時間步的溫度仿真。

(二)采集重要參數

1.軸承內外圈的受熱改變量

首先對徑向改變進行采集，將軸承內圈外表面以及軸承外圈內表面相對于初始狀態發生的變形量進行采集，在采集了每一個節點的數據的基礎進行求平均值操作，將結果作為軸承內外圈的徑向變形。然后對軸向位移進行采集，由于軸承在運動過程中，沿軸向方向也會發生變形，因此記錄下軸承內外圈兩個端面相對于軸向方向發生的變形，然后進行求平均值作為軸向位移情況.

2.滾動體熱膨脹

滾動體熱膨脹的情況可以根據滾動體表面的溫度情況進行計算。先對滾動體的表面進行溫度提取，將提取的數據進行求平均值，然后結合滾動體膨脹公式[5]就可以得到需要的結果

(三)參數處理

軸承內外圈的軸向位移和徑向變形主要影響了軸承的接觸角，進而改變軸承載荷來改變軸承的生熱，借助軸承動力學模型[8]來進行處理：

該模型缺少了對軸承在受熱變形條件下的分析，由于軸承受熱變形主要影響了球內圈溝道曲率中心與外圈溝道曲率中心之間的軸向距離和徑向距離，因此需要將熱變形和熱位移的情況加入進去。最后計算出變化的軸承接觸角以及軸承載荷。

根據計算結果更新軸承載荷情況，然后重新計算軸承生熱。

接下來考慮預緊力的情況，本次仿真所用主軸軸承的安裝方式為定位預緊，根據前面所采集的數據進行預緊力的更新，并將更新的預緊力重新加載到下一個時間步的仿真，直到最后達到平衡。

(四)對比與分析

首先針對主軸內部溫度情況，在前后軸承以及電機定轉子的同一軸向位置放置溫度探針，將過程中溫升的變化情況進行采集

最后可得由于定子的位置更靠近冷卻液，冷卻液的強制對流換熱能力比較強，因此它的溫度在穩定狀態下是小于轉子的，這就說明了冷卻液對于主軸散熱的重要作用。

在前軸承的外圈位置放置溫度探針，兩種仿真方式進行對比，可以發現，兩種仿真方式的結果趨勢上是基本相同的，最后的溫度值有一定差距，但相差不大。前期曲線趨勢上升很快主要是因為熱傳導的過程不是一蹴而就的，需要一定時間。由于時間步設置了比較長的時間，因此在傳熱剛剛開始的時候軸承生熱等一些重要數據沒有及時更新，因此前期的溫度曲線在傳統仿真上。

考慮預緊力的情況，傳統仿真的方式是在初始條件設置好的前提下進行仿真，直到得到最后的結果，因此預緊力的加載一直是一個定值。而熱結構耦合仿真是通過不斷更新預緊力的方式進行仿真，預緊力在過程中是不斷變小的。

四、結語

(1)通過對最終的仿真結果進行分析可以發現，高速電主軸的內部是一個溫度分布極不均的情況。由于冷卻液是從前軸承左側流入到達右側的時候溫度是高于入口的，因此前軸承右側的溫度是比較高的。分析表明，仿真結果基本符合現實;

(2)主軸的前后軸承以及定轉子的溫度對比表明，在主軸的運轉過程中，冷卻液的強制對流換熱是主軸散熱的主要方式，也是最有效的方式。要減小主軸的溫升可以適當加大冷卻液的流量或者降低冷卻液的入口溫度;

(3)通過對結果溫度進行比較可以看出，這種仿真方式在結果上與傳統的很接近，相差了3℃，證明是可行的。而預緊力的情況表明，這種仿真方式要更加接近現實的工況條件下的主軸狀態。