冷卻系統流量對主軸溫度的影響研究*

劉 蕾,王 婷,何圳濤*,耿繼青,2

(1.珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000;2.廣東省高性能伺服系統企業重點實驗室,廣東 珠海 519000)

0 引 言

在高速、高精密加工領域,電主軸已成為不可或缺的重要組成部分。

在電主軸的運轉過程中,電機的損耗發熱和軸承的摩擦生熱是無法避免的,它們所引起的主軸熱變形會直接影響機床加工精度[1]。因此,了解電主軸整體的傳熱機制,并合理設計冷卻系統,對主軸設計十分關鍵。

國內外學者就電主軸的冷卻問題已做了大量研究。BOSSMANNS B等人[2]采用有限差分法建立了電主軸的溫度場模型,并用該模型對電主軸運轉過程中的內部溫度分布進行了分析。MIZUTA K[3]和UHLMANN E等人[4]建立了電主軸的三維模型,對電主軸內部的熱源和傳熱機制進行了有限元分析。崔向昆[5]研究了電主軸冷卻水流量、冷卻水溫度及壓縮空氣進氣壓力3個參數對電主軸冷卻效果的影響機制,并根據研究結果得到了電主軸最佳冷卻效果下的參數組合。BOGLIETTI A等人[6]通過仿真分析與試驗相結合的方法,研究了冷卻水流速對主軸溫升的影響。MANSINGH B B等人[7]對不同形式的冷卻結構進行了數值分析,并研究了主軸溫度場的分布狀況,得出了循環冷卻系統對主軸降溫效果最好的結論。張麗秀等人[8,9]建立了電主軸的溫升預測模型,在考慮不同參數對電主軸溫升影響的基礎上,對空載下的電主軸溫度場進行了精確預測。胡秋等人[10]對空載最高轉速下的電主軸進行了熱耦合分析,并根據分析結果對電主軸的冷卻結構進行了優化。芮執元等人[11]采用正交實驗的方法,研究了不同轉速下冷卻液流速對主軸溫升的影響,為精準控制主軸溫度提供了數值依據。

以上有關電主軸冷卻液流量—溫升的研究大部分僅考慮主軸不同轉速的工況,未同時考慮主軸轉速、負載及扭矩相互組合后對其溫升的影響。

為此,筆者以某型電主軸為研究對象,以3種典型的主軸運轉工況為例,分別計算3種工況下各關鍵部件的發熱量;同時,建立主軸溫度場仿真模型,結合實驗驗證仿真模型的可信度;最后,計算得到常用工況下最佳流量、惡劣工況下最低流量,為主軸冷卻流量計算及結構設計提供參考。

1 不同工況下主軸部件發熱量

在不同的工況下,主軸的各關鍵部件,如前軸承、后軸承及電機定子、轉子、繞組等部位的發熱量存在較大的差異:

(1)切削工況下,由于主軸轉速較低,扭矩大小一般,各關鍵部件發熱量均不大;

(2)空載最高轉速工況下,軸承部位以及電機部位的定/轉子發熱較為明顯;電機部位的繞組因空載電流較小,發熱相對較小;

(3)負載最大扭矩工況下,主軸轉速較低,軸承與電機部位的定/轉子發熱不明顯,但是較大負載導致電流迅速增加,從而引起電機部位的繞組發熱偏高。

這3種典型的主軸運轉工況,導致在計算最佳流量時存在一定的偏差,因此,必須明確采用其中一種工況,以某型電主軸為例,計算在這3種典型工況下各關鍵部件的發熱量。

電主軸電機各部件的發熱量計算主要依據的是Maxwell軟件中RMxprt模塊的磁路法[12,13],包含機械損耗、電損耗與磁損耗。軸承發熱量計算主要參考使用最廣泛的Palmgren法計算公式[14]。

以某型電主軸為例,3種典型的運轉工況如表1所示。

表1 某型電主軸3種典型運轉工況

不同工況下,某型電主軸各關鍵部件的發熱量分別如表2所示。

表2 某型電主軸在不同工況下各部件的發熱量(單位:W)

2 主軸溫度場建模及實驗

2.1 有限元模型建立

根據某型電主軸的實際尺寸,筆者建立電主軸三維實體模型。首先筆者對模型進行適當簡化,不考慮螺釘、電源線、接頭等局部特征,保留與溫度場仿真相關的結構;將三維模型導入有限元軟件中,進行網格劃分以及結構設置等操作;最后將模型導入流體分析軟件中,進行邊界條件的設置。

電主軸各相應部件的材料屬性如表3所示。

表3 某型電主軸材料屬性

筆者設置流體環境溫度25 ℃,入水口溫度為24 ℃,進水口流量取1 L/min～14 L/min,并換算為相應的質量流量、湍流強度及水力直徑;其中,湍流強度一般根據經驗公式I=0.16Re-1/8進行計算;水力直徑φ10.7 mm,出水口邊界采用默認的壓力出口邊界條件即大氣壓力;并對主軸熱源各關鍵部件的發熱量進行設置,其數值參考表2。

由于熱對流系數與轉速、結構尺寸有關(計算公式參考文獻[15]),對溫度場進行初始化之后,即可進行仿真計算,得到電主軸仿真結果。

2.2 溫度場實驗

為了驗證流固耦合仿真計算結果的準確性,筆者搭建了電主軸溫升測試平臺,對常用工況下的某型電主軸各關鍵部件的溫度進行了實驗測試,以此來驗證仿真結果。

此處,筆者通過預埋溫度傳感器PT100來采集電主軸各關鍵部位的溫度數據[16]。其中,軸承位共12個測點,每個軸承上布置3個測點,電機位共布置9個測點。

電主軸內部各關鍵部位的溫度傳感器布置位置如圖1所示。

圖1 電主軸溫度傳感器布置示意圖

某型電主軸溫度實驗測試現場如圖2所示。

圖2 電主軸溫度測試現場

此處的試驗條件參照常用工況的仿真條件進行設置,在恒溫環境下進行測試。其中,環境溫度25 ℃,冷卻水溫度24 ℃,主軸轉速500 r/min。

在電主軸運轉過程中,主軸各關鍵部位的溫度數據通過溫度傳感器PT100、研華采集卡和LabVIEW編程進行實時采集,以30 min內無波動的溫度數據作為各關鍵部位的溫度(由于測點布置較多,同位置的測點溫度相差不超過0.1 ℃)。

2.3 實驗與仿真結果對比

筆者將溫度相對較高的前軸承1的1號測點、后軸承的1號測點和電機定子的7號測點的溫度數據與仿真結果進行對比。

實驗測量數據與仿真對比結果如圖3所示。

圖3 主軸溫度場實驗與仿真對比

從圖3對比曲線可以看出:實驗測試所得的冷卻流量對電主軸溫度的影響曲線與仿真結果基本一致;其中,主軸前、后軸承處誤差不超過0.5 ℃,電機溫度誤差范圍為1.0 ℃～1.5 ℃,誤差數值較小。

以上結果表明:電主軸溫度場仿真的模型及邊界條件設置可靠,其仿真分析結果具有一定的參考價值。

3 冷卻流量計算及分析

3.1 常用工況下最佳冷卻流量

在常用工況下,筆者將電主軸各關鍵部件的熱流密度及熱對流系數納入仿真模型,分別計算冷卻流量為1 L/min～14 L/min時,電主軸各關鍵部件的平均溫度及整機溫度,得到各關鍵部件的溫度場分布云圖。

在常用工況下,電主軸各關鍵部件的溫度場分布云圖如圖4所示(冷卻流量為8 L/min)。

圖4 常用工況下關鍵部件溫度場分布云圖

電主軸各關鍵部件的平均溫度隨冷卻流量變化趨勢,如圖5所示。

圖5 各關鍵部件溫度隨流量變化趨勢

從圖5可以看出:在常用的工況下,隨著冷卻液流量的增加,電主軸各關鍵部位的溫度呈現下降趨勢;在冷卻液流量小于8 L/min時,電主軸各部件的溫度隨流量的增加而迅速減小;在冷卻液流量大于8 L/min時,電主軸各部件的溫度梯度趨于不變,此時對應的冷卻液流量即為其最佳流量。

3.2 惡劣空載下最低冷卻流量

在惡劣空載工況下,在對電主軸進行最低冷卻流量計算時,需要參考電主軸中各關鍵部件的溫升和溫度限制規范。

主軸電機溫升或溫度限制標準如表4所示。

表4 電機溫升或溫度限制標準

主軸軸承溫升或溫度限制標準如表5所示。

表5 軸承溫升或溫度限制標準

由表4和表5可知:在電主軸運轉過程中,其軸承的溫升不超過30 ℃,溫度不超過60 ℃。

而當前的電機繞組采用F級繞組,因此電機溫升不超過105 ℃,溫度限制為120 ℃。

在惡劣空載工況下,筆者將電主軸各關鍵部件的熱源及熱對流系數納入主軸仿真模型;調整冷卻流量值,通過觀察電主軸各關鍵部件中哪個部件首先達到溫度限值,并加以統計,即可得到最低冷卻流量。

經現場調試可知,在惡劣空載工況下,后軸承溫度最先達到溫度限制,此時冷卻液流量為0.4 L/min,則該流量即為惡劣空載工況下電主軸的最低冷卻流量。

冷卻流量為0.4 L/min時,電主軸整機溫度場分布云圖如圖6所示。

圖6 惡劣空載下主軸溫度場分布云圖

3.3 惡劣負載下最低冷卻流量

在惡劣負載工況下,在對電主軸最低冷卻流量進行分析時,同樣要參考電主軸各關鍵部件的溫升和溫度限制規范,即要將惡劣負載工況下,各關鍵部件熱流密度及熱對流系數納入電主軸仿真模型,調整冷卻流量值,通過觀察電主軸各關鍵部件中哪個部件首先達到溫度限值,并加以統計,即可得到最低冷卻流量。

經現場調試可知,在惡劣空載工況下,電機繞組溫度最先達到溫度限制,此時冷卻流量為0.67 L/min,該流量即為惡劣負載工況下電主軸的最低冷卻流量。

冷卻流量為0.67 L/min時,電主軸整機溫度場分布云圖如圖7所示。

圖7 惡劣負載下主軸溫度場分布云圖

4 結束語

筆者針對某型高速電主軸,通過仿真方法分析了不同工況下冷卻流量對主軸內部各關鍵部位溫升的影響;為了對仿真結果進行驗證,搭建了電主軸溫升測試平臺,對不同工況下電主軸溫升進行了實驗測試,并將實驗結果與仿真結果進行了對比分析。

研究的主要過程及結果如下:

(1)針對某型電主軸,分別計算了常用切削、空載最高轉速及低速最大扭矩3種典型運轉工況下,主軸各關鍵部件發熱量,結果表明,不同運轉工況下主軸各關鍵部件發熱量差異十分明顯,因此,在確定主軸最佳冷卻流量時應區別對待;

(2)通過實驗對仿真模型進行了驗證,對比了不同冷卻流量下主軸各關鍵部件的溫度變化趨勢,其誤差小于5%(前、后軸承處誤差不超過0.5 ℃,電機溫度誤差在1.0 ℃～1.5 ℃),證明仿真模型是可靠的;

(3)取常用切削工況進行了最佳冷卻流量計算,得到了某型電主軸最佳流量;結合主軸行業中各關鍵部件的溫度限值,分別取空載最高轉速與低速最大扭矩運轉工況進行了最低流量計算,得到了某型電主軸最低冷卻流量。

以上分析結果表明,在大扭矩情況下,隨著流量的不斷減小,電機繞組容易因溫度過高燒毀;而在轉速較高的情況下,隨著流量的不斷減小,后軸承最容易因溫度過高而燒毀。

為使該研究工作更加全面,在后續的工作中,筆者將會就不同冷卻介質下的流量對主軸溫升的影響進行研究。