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高速电主轴温度分布及其影响因素(下)
2018-10-12  来源:转载  作者:吴玉厚,崔向昆,孙 红,张丽秀,张 珂

       摘要 :目的 分析 70SD30 电主轴温度场分布情况,为提高主轴加工精度提供理论依据. 方法 建立电主轴数学模型及 1 /4 三维几何模型,实验验证电主轴模型的可靠性. 利用 COMSOL 软件模拟电主轴的温度分布,研究主轴转速、径向磨削力对电主轴温升的影响. 结果 电主轴的最高温度出现在后轴承处,温度为 47. 7 ℃; 电主轴最低温度出现在冷却水水道处,温度为 16. 2 ℃; 转子到定子间的空气温度迅速递减; 在冷却液流量达到 0. 35 m3/ h 时,对比电主轴后轴承外表面处温度的实验数据与模拟数据,平均温差为 0. 25 ℃,误差为 1. 3% . 结论 轴承和转子处于高温区,由于轴承发热率大,而后轴承所处位置的结构不利于散热,导致后轴承温度最高; 由于定、转子间隙的传热系数低,致使转子到定子的温度急剧降低; 转速对后轴承温升影响最大,而磨削力对前轴承温升影响最大.

       关键词 :电主轴; 温度场; 冷却液流量; 径向磨削力

       2 、模拟结果及分析

       2. 1 实验验证

       电主轴温升测试装置由高速电主轴测功机、冷却控制系统、性能测试系统、异步测功机控制电源、空气压缩机装置、油气润滑装置等组成( 见图 3) . 在电主轴外表面的轴头、轴心、轴尾处分别连接 10 个温度传感器,对电主轴外表面温度进行测试( 见图 4) .
 
 
  
  
图 3 电主轴系统组成
 
  

图 4 电主轴温升测试平台

       在环境温度 16 ℃,主轴转速12 000 r/min,冷却水水温 15 ℃时,实验研究冷却水流量对电主轴外表面后轴承位置处温升的影响,并与模拟结果对比,结果见图 5.
 
 
图 5 实验与模拟对比曲线

       从图 5 中可以看出,模拟中,随着冷却水流量的增加,电主轴温度出现一个先下降到基 本 不 变 的 趋 势. 在 冷 却 水 流 量 小 于0. 35 m3/ h时,电主轴温升受冷却水流量的影响较大,温度下降速率较快,这是由于随着冷却水流量的增加,冷却水水道表面的散热系数不断增加,冷却水对电主轴的降温效果比较明显. 当冷却水流量大于 0. 35 m3/ h 时,电主轴温升基本不受冷却水流量的影响,这是由于过高的冷却水流速不能有效地带走定子产生的热量. 实验中,电主轴温度随着冷却水流量的增加逐渐降低,在流量达到0. 35 m3/ h之后,电主轴的温度基本不变. 对比实验与模拟的结果,得到平均温差为 0. 25 ℃,误差为1. 3% ,在允许的误差范围之内,实验与模拟的结果接近一致,模型可靠.

       2. 2 温度场分布

       将初始条件、热源发热率、散热系数等边界条件施加在 COMSOL 软件中,得到稳态下170SD30 电主轴的温度分布情况( 见图 6) .从图 6 中可以看出,轴承和转轴的温度较高,定子和外壳的温度较低. 电主轴的最高温度出现在后轴承处,温度为 47. 7 ℃. 这是由于轴承受黏性摩擦力矩和预紧力的影响,产热较多,且电主轴在后轴承处的结构不利于散热,热量在轴承处积累,导致后轴承处温度最高. 
 
 
图 6 170SD30 电主轴温度场分布

       转轴温度为 45. 91 ℃,轴承和转子通过热传导的形式将热量传递给转轴,而转轴处于电主轴的中心,只能通过油气润滑系统带走少部分热量,所以转轴的温度略高. 定子的温度为 20. 01 ℃,这是由于定子受冷却水强制对流换热的影响,冷却水流经冷却水水道,将定子产生的大部分热量带走,导致定子温度较低,定转子间产生很大的温差. 电主轴前轴承位置外表面处的温度为 30. 57 ℃,与实验温度相差 0. 4 ℃,电主轴后轴承位置外表面处的温度为 34. 68 ℃,与实验温度相差0. 2 ℃ ,后轴承温度高于前轴承,这是由于电主轴内部热源通过热传导的形式将热量传递给外壳,且前后轴承的产热较多,导致电主轴外表面轴承处的温度较高.

       图 7 为定、转子间隙处的温度分布. 由图7 可得转子外表面的温度较高,定子内表面的温度较低,定、转子之间存在很大的温差,这是由于冷却水对定子的强制对流换热导致定子处温度较低. 定、转子之间存在 0. 3 mm的间隙,转子只能以自然对流换热的形式进行散热,热量不能及时的散发,导致转子处温度较高. 定子到转子之间的温度逐渐递增,充分表现了空气在定、转子间隙处的温度梯度变化过程,且受空气流动的影响,温度传递速度加快.
 
 
图 7 定转子间隙处的温度分布

       2. 3 主轴转速的影响

       在电 主 轴 额 定 转 速 下,分 别 对 转 速5 000 r / min、10 000 r / min、15 000 r / min、20 000 r / min、25 000 r / min 时的电主轴前轴承、后轴承、转轴、转子外表面 4 个位置进行温度测量,转速对电主轴不同位置温升的影响曲线见图 8.
 
 
  
图 8 转速对电主轴不同位置温升的影响

       从图 8 中可以看出,4 个位置的温度随着主轴转速的增加不断上升,后轴承温升受主轴转速的影响最大,温度上升速率最快,前轴承次之,这是由于轴承发热量直接受主轴转速的影响,转速越高,轴承发热量越大,温度升高越快. 转轴和外壳的温升最小,转轴处的温升相对于前后轴承较小,这是由于转轴不是热源,它的热量是通过轴承和转子以热传导的形式传递的. 转子外表面温升受主轴转速影响最小,这是由于转子不与轴承直接接触,温度传递速率较慢,且转子受油气润滑系统压缩空气对流换热的影响,将部分热量带走.

       2. 4 径向磨削力的影响

       在电主轴额定转矩 M额= 4. 8 N·m 的情况下进行磨削加工时,主轴前端所承受的最大径向力 Fr= M额r = 196 N. 在最大径向力下,取一组数据 0、50 N、100 N、150 N. 不考虑电主轴刚性的影响,在最大径向力之外,取一组数据 200 N、250 N、300 N、350 N. 外圆磨削时,轴向磨削力的值相对于径向磨削力较小,一般可不考虑,将两组径向磨削力分别加到转轴端部,研究径向磨削力对电主轴不同位置温升的影响,结果见图 9.
 
 
图 9 径向磨削力对电主轴不同位置温升的影响

       从图 9 中可以看出,前轴承温升受磨削力影响最大,每增加 50 N 的磨削力前轴承温度升高 0. 3 ℃,后轴承次之. 这是由于主轴端部受力时,前轴承分解的力要大于后轴承,且轴承发热直接受磨削力影响,磨削力越大,轴承处受到的载荷力矩越大,轴承发热量越大,温度升高越快. 转轴处温升受磨削力影响不大,转子外表面受磨削力影响较小,这是由于随着磨削力的增加,前后轴承发热量增加,转轴与轴承直接接触,热量传递速率较快,转子相对于转轴不与轴承直接接触,且在电主轴运行过程中受压缩空气对流换热的影响,温升速率较慢.

       3、 结 论

       (1) 170SD30 电主轴的受力特点是前轴承大于后轴承,但由于后轴承所处位置的结构不利于散热,导致后轴承温度反而高于前轴承.
       (2) 轴承和转子处于高温区,后轴承区域温度最高; 从转轴到转子、到定子、到水套、再到外壳温度逐渐降低; 由于定、转子间隙空气传热系数低,致使从转子到定子的温度急剧降低.
       (3) 随着转速和磨削力的增大,电主轴温度升高; 转速增加,后轴承的温升梯度最大; 而磨削力增加,前轴承的温升梯度最大.
 
      来源:沈阳建筑大学机械工程学院, 沈阳建筑大学交通工程学院, 

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