大扭矩直驅式超精密液體靜壓轉臺熱態特性控制與優化*

胡 秋 李夢陽 袁南南

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

力矩電機直驅式液體靜壓回轉工作臺具有精度高、動態性能好、集成度高、體積小、無磨損、免維護及故障率低等蝸輪蝸桿式轉臺無可比擬的優點，故在精密超精密加工裝備行業得到廣泛應用[1]。

然而，轉臺系統力矩電機內置式設計使得在一個有限的空間內集中了電機發熱、軸承摩擦發熱兩大發熱源，轉臺系統工作過程中，在這兩大熱源的影響下，轉臺系統熱態特性變差，因此直驅式轉臺系統熱態特性控制與優化顯得成為重要。

以某精密立式數控磨床用高精度回轉工作臺為例，介紹了其熱態控制控制策略，開展了轉臺系統熱態性能仿真與分析，并對轉臺系統溫升和熱變形對支承系統承載性能進行了分析，取得了較好的效果，以期對同類轉臺的研制提供幫助。

1 大扭矩回轉工作臺應用背景及問題提出

某直驅式超精密液體靜壓回轉工作臺是某超高精度數控立式磨床關鍵功能部件之一[2]，回轉工作臺要求具有良好的回轉精度、剛度及熱態特性。如圖1，根據機床總體結構設計要求，靜壓轉臺整體采用組件式設計以便于轉臺零部件制造與精度提升，轉臺支承系統采用液體靜壓支承以獲得高精度、高剛度和良好的阻尼特性，轉臺采用大扭矩力矩電機直接驅動，減少中間傳動環節，有利于提高精度和動態響應特性[3]。

在該轉臺設計中，根據工況需要[2]，采用了西門子無框力矩電機直接驅動，額定扭矩450 N·m，最大扭矩878 N·m，最大功率30.6 kW，額定損耗功率4.98 kW，額定電流24 A，最大電流53 A。另一方面，該轉臺根據剛度和承載能力需要，轉臺徑向軸承直徑和長度分別為220 mm和220 mm，止推軸承為閉式環形止推導軌結構，止推軸承外徑為400 mm，承載油膜面積大，轉臺在運動過程中存在油膜剪切發熱。

整體組件-直接驅動式的總體技術方案省去了中間傳動環節，有利于提升轉臺系統運動精度和響應特性提升，然而整體組件式設計卻使得在一個有限的空間內集中了轉臺系統所有的熱源，包括大扭矩大功率力矩電機功率損耗、大面積承載油膜發熱和密封面摩擦發熱，這給轉臺系統熱態特性分析與冷卻設計帶來了較高的要求。

2 熱態特性改善策略

分析轉臺系統熱源組成及傳熱路徑，從減少熱源強度、加強散熱、優化支承設計、結構優化等方面采取措施，以改善轉臺系統熱態特性[4-5]，轉臺系統熱態特性優化策略總結見圖2。

減少熱源強度是改善熱態特性的積極措施。可以從減少熱源數量和減少無法移除熱源的熱源強度兩方面入手。在本轉臺系統設計中，轉臺設計中工作臺與上止推導軌，轉臺芯軸與電機殼體間回油處等密封面處均采用迷宮、氣封等非接觸式密封代替傳統的橡膠密封圈接觸式密封，杜絕接觸式密封所致摩擦發熱；對于驅動電機，采用永磁同步電機替代異步電機以降低電機運動過程中功率損耗；對靜壓支承系統，采用稀油介質，同時加大油膜間隙，適度提高供油壓力并由此增大流量，減少油膜面在運動過程中發熱量，同時大流量策略使得大量熱量被靜壓油帶走。

其次，在系統設計中加強散熱。對大功率力矩電機，采用了恒溫強制水冷措施，通過冷卻水帶走電機運行過程由于功率損耗而產生的熱；對于靜壓支承系統，采用大流量設計策略，使靜壓油不僅起到承載作用，同時也帶走內部熱源所產生的熱；在靜壓供油系統設計中，采用強冷措施，控制靜壓支承系統供油溫度。

最后，在轉臺系統結構設計中，合理布置工作端和游動端支承。在轉臺總體設計中，大扭矩電機下置，使系統最大內熱源遠離工作端，從而使得熱變形盡量往非工作端游動，從而符合高精度加工機床主軸工作端熱伸長應盡量少的設計原則。

3 熱態特性仿真分析

基于對稱性，取1/6轉臺系統建模。采用ICEM軟件對各零件劃分網格，流體采用結構化網格，油膜厚度方向上劃分10層，以保證模擬出厚度方向上的流速和溫度變化。對于轉臺系統內熱源，電機按集中熱源處理；油膜為粘性耗散生熱，在CFX軟件中開啟粘性耗散方程，軟件自動計算熱量并計入能量方程[6]。

設定流體域入口為恒壓2 MPa，環境溫度為20 ℃，回油出口壓力為0 MPa；流體和固體交界面設置為耦合傳熱；靜壓油設為層流狀態；開啟能量方程和粘性耗散方程；求解器求解格式選擇高階求解模式，以保證求解的準確性和可靠性。

以轉臺常用工作轉速30 r/min為例，其整體溫度場如圖3所示，從分析結果中可以看出：(1)工作條件下轉臺溫度整體上升，最高溫升出現在電機定子處，為29.57 ℃，工作臺面處溫升最低，僅有0.23 ℃，符合轉臺系統工作端低溫升預期。(2)止推軸承油膜溫升最高點在每個油腔封油邊處，溫升為1.064 ℃，溫升極小，原因一方面在于轉臺整體結構為電機下置，止推軸承遠離電機這一轉臺系統最大內熱源，另一方面轉速工作轉速較低且靜壓油(N3)粘度較低，由靜壓油引起的粘性耗散生成的熱量較小。(3)徑向軸承油膜溫升不均勻，從工作端往電機端呈明顯遞增趨勢，工作端和電機端徑向軸承溫升分別為0.95 ℃和4.85 ℃。其原因在于徑向軸承溫升主要由電機定子功率損耗熱傳到油膜上，故從工作端往電機端明顯呈遞增趨勢，靠近電機端和工作端溫升有較大區別。

求解轉臺系統溫度場后，將體溫度場導入靜力學模塊中進行轉臺熱變形計算。如圖4，整體來看，轉臺系統沿軸向最大熱位移發生在電機定子端尾部，為74 μm；沿軸向最小熱位移發生在主軸工作端工作臺面處，約0.3 μm。沿徑向最大熱位移發生在外殼靠近電機的一端，為27 μm。從整體看，回轉工作臺工作端熱伸長極小，符合項目預期。

在機床上對研制的轉臺進行了熱態特性測試[2]，整個測試過程持續4H，文獻[2]對熱態特性測試作了詳細描述與分析，測試結果表明，研制的轉臺系統具有較好的熱態特性，符合設計預期。

4 溫升及熱變形對轉臺支承承載特性的影響

轉臺在運行時，轉臺系統各零件存在一定溫升與熱變形，這種溫升和熱變形對轉臺性能會產生一定影響，其影響機制如圖5所示。

由前述溫度場仿真分析可知，靜壓油只在靠近電機附近(徑向軸承下封油面處)溫升較大，最大溫升約5 ℃，靜壓油粘度由0.004 1 Pa·s降為0.003 5 Pa·s，其他位置靜壓油溫升較小，粘度變化可以忽略，溫升前后徑向軸承流量增大5.2%，油腔壓力減小2.5%；止推軸承流量增大2%，油腔壓力減小1%，由粘度變化導致的軸承性能變化極小，可以忽略其對支承性能影響。

從熱變形看，止推軸承由于溫升引起的油膜間隙變形小于1 μm，由熱變形引起的止推軸承油膜間隙變化對止推軸承承載性能影響極小。

對于徑向軸承，油膜間隙變化從工作端至電機端熱變形從小變大，在工作端，遠離系統最大熱源，溫升小，徑向油膜間隙變形小于1 μm，徑向軸承在電機端溫升比工作端高，油膜間隙增大9 μm，采用平均油膜間隙估算，徑向軸承剛度比計算剛度降低19%(2 800 N/μm)，但滿足項目技術要求。

5 結語

從減少熱源強度、加強散熱和結構優化等方面對大扭矩直驅式超精密液體靜壓回轉工作臺提出了熱態特性改善措施，轉臺系統溫度場及熱位移仿真分析表明，轉臺系統工作端溫升及熱伸長較小，符合高精度主軸工作端熱伸長盡量小的設計原則。

在熱位移場分析基礎上，進一步分析了轉臺系統溫升及熱變形對支承系統承載特性影響，得益于有效的熱態特性控制策略，轉臺系統止推軸承承載性能幾乎不變，徑向支承剛度損失18%，但滿足項目需要。