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        高速電主軸熱態(tài)特性的研究

        2011-07-07 08:48:52孫興偉王遠濤
        制造業(yè)自動化 2011年21期
        關(guān)鍵詞:電主軸發(fā)熱量主軸

        孫興偉,王 聰,王 可,王遠濤

        (沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,沈陽 110870)

        0 引言

        目前,隨著電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展和日趨完善,高速數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化,基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動,這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結(jié)構(gòu)形式,使主軸部件從機床的傳動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對獨立出來,因此可做成“主軸單元”,俗稱“電主軸”。電主軸易于實現(xiàn)主軸定位,是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)[1]。

        高速電主軸是高速機床的核心部件,也是該類機床的主要熱源。由于轉(zhuǎn)速和精度要求都比較高,但是轉(zhuǎn)速高機床就很容易熱變形,與高精度背道而馳。所以就需要電主軸有很好的冷卻系統(tǒng)[2]。所以我們要對其熱態(tài)特性進行研究分析,從而達到高精度的要求,熱穩(wěn)定性問題是高速電主軸最為關(guān)鍵的問題之一。

        1 高速電主軸結(jié)構(gòu)

        高速電主軸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是由主軸,主軸箱體,無外殼電動機,冷卻裝置和軸承等一系列裝置所組成,電動機的轉(zhuǎn)子用壓配方法與主軸做成一體,主軸由前后端的軸承支撐,電動機的定子通過冷卻套安裝在主軸的殼體中。

        圖1 電主軸結(jié)構(gòu)示意圖

        2 電主軸的熱源分析

        高速電主軸兩個主要的內(nèi)部熱源是內(nèi)裝式電機的損耗發(fā)熱和軸承的磨損發(fā)熱[3]。

        2.1 內(nèi)裝式電機的損耗發(fā)熱

        本文研究電主軸的額定功率為P=7.5KW,轉(zhuǎn)速范圍n為3000—12000r/min,根據(jù)公式T=9549×P/n,得出電機的扭矩為23.6Nm. 電機的定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱來源于電機的損耗。主要包括機械損耗、電損耗、磁損耗。電機的損耗功率一般為電機額定功率的20%~25%,因此,該電主軸的損耗功率為1.875KW,其中2/3熱量由定子產(chǎn)生,約為1.2KW,1/3熱量由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生,約為0.625KW。

        2.2 軸承的摩擦發(fā)熱

        根據(jù)Palmgren公式,軸承滾動體與滾道間接觸區(qū)的摩擦發(fā)熱量為Q=Mw,Q為發(fā)熱量;M為軸承摩擦總力矩;w為內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度[4]。

        軸承摩擦總力矩M由軸承空轉(zhuǎn)時潤滑劑粘性產(chǎn)生的摩擦力矩M0和與速度無關(guān)的載荷作用下產(chǎn)生的摩擦力矩M1兩部分組成,即

        式中:f0為軸承設(shè)計和潤滑方式的系數(shù),對于角接觸球軸承,f0=1;u為潤滑劑在運轉(zhuǎn)溫度下的運動粘度;w為軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)速度:9000r/min;dm為軸承的平均直徑,前軸承的平均直徑為65mm,后軸承的平均直徑為75mm;Fs軸承的當(dāng)量靜載荷,前后軸承分別為21.0KN和31.5KN;Cs為軸承的額定靜載荷,前后軸承分別為25.2KN和36.2KN。

        電主軸后端為角接觸球軸承GB/T292—94 B7012C,前端為2個背對背安裝的角接觸球軸承GB/T292—94 B7010C。軸承的部分技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 軸承的部分技術(shù)參數(shù)

        3 電主軸熱態(tài)特性的有限元分析

        3.1 構(gòu)建有限元模型

        該電主軸模型屬于軸對稱結(jié)構(gòu),四節(jié)點四邊形單元可用于軸對稱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分,而且具有熱傳導(dǎo)的性能,節(jié)點自由度為溫度。對電主軸模型進行網(wǎng)格劃分,劃分后的電主軸有限元模型如圖2所示,共有856個單元,1126個節(jié)點。

        圖2 電主軸有限元模型

        3.2 電主軸熱載荷的計算

        電主軸的熱載荷主要是電動機和前后軸承的生熱率[5]。生熱率q是指單位體積的發(fā)熱量,計算公式如下:

        式中:Q是熱源的發(fā)熱量;v是熱源的體積。

        3.2.1 電動機生熱率的計算

        電主軸額定輸出功率Pn=7.5KW,功率損失為1.875KW,并假設(shè)損失的功率全部轉(zhuǎn)化為熱,其中電機定子占2/3,電機轉(zhuǎn)子占1/3,定子和轉(zhuǎn)子可視為厚壁圓筒,定子的發(fā)熱量為1.2KW,定子的體積為0.0031m3,轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量為0.625KW,轉(zhuǎn)子的體積為0.0015m3,根據(jù)公式(2)計算得出定子和轉(zhuǎn)子的生熱率分別為

        3.2.2 軸承生熱率的計算

        因為軸承的轉(zhuǎn)速很高,可以把滾動體看作一個圓環(huán),其截面面積與滾動體面積相等。計算出的前后軸承的生熱率分別是

        3.3 電主軸的穩(wěn)態(tài)熱分析

        對電主軸進行熱分析時的環(huán)境溫度為25度,主軸轉(zhuǎn)速為9000r/min,表2為電主軸的熱邊界條件,通過有限元軟件將其加載到有限元分析模型上,進行分析求解,即可得到電主軸的溫度場分布如圖3所示。

        表2 電主軸的熱邊界條件參數(shù)(生熱率單位W/m3,換熱系數(shù)單位

        表2 電主軸的熱邊界條件參數(shù)(生熱率單位W/m3,換熱系數(shù)單位

        圖3 電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場

        從電主軸的穩(wěn)態(tài)溫度場可以看出,電機轉(zhuǎn)子處的溫度最高,這是因為轉(zhuǎn)子的發(fā)熱在鐵心處積累,而且散熱條件不是很好,熱量不能快速的導(dǎo)出,所以溫度比較高。電機定子也發(fā)出大量熱量,但是由于散熱條件比較好,所以溫度沒有轉(zhuǎn)子的高。軸承處的溫度也比較高,這是因為軸承本身發(fā)熱,另一方面是受轉(zhuǎn)子發(fā)熱量大的影響。

        3.4 電主軸的瞬態(tài)熱分析

        取電主軸上三點:前軸承一點、轉(zhuǎn)子處一點和后軸承一點,描繪出時間—溫度曲線,如圖4所示。

        從溫升曲線可以看出,前2400s溫度上升比較快,在5000s左右時達到熱平衡狀態(tài)。由此可見,如果在機床加工之前,先對加工中心預(yù)熱2400s,再進行零件的加工,那么就可以減少由于熱變形引起的加工精度誤差。

        圖4 溫度-時間曲線

        4 改善電主軸熱態(tài)特性的主要措施

        為改善電主軸的熱態(tài)特性,可采用以下措施:

        1)減少發(fā)熱。用陶瓷球軸承或非接觸式的軸承,陶瓷球軸承的質(zhì)量比較輕,在高速回轉(zhuǎn)時離心力相對小些,從而減小接觸應(yīng)力,降低摩擦。非接觸式的軸承同樣可以減小摩擦,減小發(fā)熱量。

        2)增強散熱。加強電機的冷卻,采用合適的潤滑方式,在殼體上多加些散熱排風(fēng)口,加強其對流循環(huán),達到增強散熱的目的。

        5 結(jié)論

        研究結(jié)果表明,電主軸的內(nèi)裝電機和軸承是其兩大最主要的發(fā)熱源,通過對其發(fā)熱情況進行分析,得出電主軸的發(fā)熱與溫升在很大程度上影響了高速數(shù)控機床所能達到的加工精度,對此提出了減小電主軸發(fā)熱量的措施。這些對于提高電主軸的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平,促進我國高速數(shù)控機床的發(fā)展及高速加工技術(shù)的普及應(yīng)用,有重要的理論意義和實用價值。

        [1] 吳玉厚.數(shù)控機床電主軸技術(shù)單元[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

        [2] 楊貴杰,秦冬冬.高速電主軸的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].伺服控制,2010,(2):20-23.

        [3] 熊萬理,李芳芳,呂浪.滾動軸承電主軸系統(tǒng)動力學(xué)研究綜述[J].制造技術(shù)與機床,2010,(3):42-43.

        [4] 劉小文,吳玉厚,孫紅.基于ANSYS的全陶瓷電主軸動態(tài)分析及振動性能測試[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,(4):61-63.

        [5] 李彥.數(shù)控機床高速電主軸技術(shù)及應(yīng)用[J].電器工業(yè),2010,(8):45-46.

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