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        ADGM 高速電主軸熱態(tài)特性仿真分析*

        2014-06-29 10:01:06李麗麗李安玲郭龍斌張鵬偉周陸航
        關(guān)鍵詞:熱態(tài)電主軸對流

        李麗麗,李安玲,何 強(qiáng),郭龍斌,張鵬偉,周陸航

        (安陽工學(xué)院a.高速精密機(jī)床協(xié)同創(chuàng)新中心,b.機(jī)床關(guān)鍵功能部件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 安陽 455000)

        0 引言

        高速加工具有高生產(chǎn)率、低生產(chǎn)成本等許多優(yōu)點(diǎn)。高速加工的前提和基本條件是具有高速加工機(jī)床。高速電主軸是高速機(jī)床重要的功能部件之一。電主軸是將驅(qū)動電機(jī)和機(jī)床主軸合為一體,從而將機(jī)床主軸的傳動鏈長度縮短為零。這使得電主軸具有高速、高精度、振動小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。電主軸的應(yīng)用使機(jī)床具有高效率和高精度加工的優(yōu)點(diǎn)。但是,在實(shí)際的工作過程中電主軸內(nèi)裝式電機(jī)的損耗和前后軸承的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量。如果處理不當(dāng)這部分熱量會使得電主軸產(chǎn)生嚴(yán)重的熱變形,從而影響機(jī)床的加工精度和使用壽命。

        關(guān)于電主軸方面的熱態(tài)分析,美國BernBossnns 和韓國的SunMin Kim 等都對電主軸的能量分布和熱態(tài)特性進(jìn)行等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究[1]。本文以“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”2012 年科技重大專項(xiàng)中第62項(xiàng)課題“ADGM 系列高速精密數(shù)控車床及車削中心”中ADGM 高速電主軸為研究對象,通過采用ANSYS Workbench 大型有限元分析軟件,對Solidworks 建立的電主軸三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對電主軸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熱分析和熱耦合分析,從而了解ADGM 電主軸溫度的分布情況。通過本文的分析與研究,可以對高速電主軸的熱態(tài)特性的仿真分析更加有效,使設(shè)計者可以更加清楚的了解電主軸的熱量分布,為電主軸的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

        1 ADGM 電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        該電主軸為車床用電主軸,主軸最高轉(zhuǎn)速為8000r/min,額定扭矩為120N。前軸承為3套XC7015E 角接觸軸承,后軸承為2 套XC7015E 角接觸軸承。前后軸承均固定,可以承受軸向和徑向載荷。該電主軸軸承采用脂潤滑,主軸電機(jī)和軸承均采用循環(huán)水冷卻。圖1 為ADGM 高速電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖1 ADGM 高速電主軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

        2 ADGM 電主軸的熱源分析

        電主軸的熱源主要有兩個即:內(nèi)裝式電機(jī)由于損耗的發(fā)熱和軸承由于摩擦的發(fā)熱[2]。

        2.1 內(nèi)裝式電機(jī)損耗的發(fā)熱

        本文所研究的ADGM 高速電主軸的額定功率為12.5kW,該電主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000r/min,由扭矩公式可得扭矩T=9549P/n=14.9 N·m。按照經(jīng)驗(yàn)公式可得電機(jī)的損耗功率一般為額定功率的20%~25%[3],定子損耗占總損耗的2/3 約為1.67kW,轉(zhuǎn)子損耗占總損耗的1/3 約為0.83kW。

        2.2 軸承的摩擦發(fā)熱

        ADGM 高速電主軸前軸承采用了德國FAG 公司的XC7018E 型軸承,后軸承為XC7015E 型軸承,電主軸的滾動體采用了陶瓷材料,保持架采用了樹脂材料。該電主軸的部分參數(shù)如表1 所示。

        表1 前、后軸承的部分技術(shù)參數(shù)

        軸承滾動體與滾道間的摩擦發(fā)熱量可由下式求得[2]。

        式中:Q為軸承摩擦的發(fā)熱量;M為軸承的摩擦總力矩;n為軸承的轉(zhuǎn)速。

        M為軸承的摩擦總力矩[4];

        M0與軸承的類型和潤滑油的性質(zhì)有關(guān)

        式中:f0為軸承的潤滑因子,該電主軸采用油脂潤滑:

        f0=2,γ 為潤滑脂的運(yùn)動粘度,dm為軸承內(nèi)徑。M1與軸承所受載荷有關(guān)的力矩

        式中:f1為軸承設(shè)計與載荷的系數(shù),p1為軸承的當(dāng)量載荷,dm為軸承的內(nèi)圈直徑。

        3 電主軸的傳熱計算

        3.1 電機(jī)與冷卻系統(tǒng)間的對流換熱

        電機(jī)與冷卻系統(tǒng)間的對流換熱屬于管內(nèi)流體間的強(qiáng)迫對流換熱。冷卻液在冷卻槽中循環(huán)流動,不同的流動狀態(tài)對熱傳遞的影響也是不一樣的,需要用不同的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算。液體流動模式分為層流和湍流兩種,需要算出雷諾數(shù)加以區(qū)分,雷諾數(shù)的計算公式如下式所示。

        式中:μ 為流體的速度(m/s);D為幾何特征的尺寸(m);v為運(yùn)動粘度。

        在此主軸系統(tǒng)中冷卻液是水,冷卻液的流速是0.6L/min,冷卻液的初始溫度為17℃,主軸的最高轉(zhuǎn)速為8000r/min,經(jīng)過計算該系統(tǒng)雷諾數(shù)大于臨界值為湍流。則電機(jī)與冷卻系統(tǒng)間的對流換熱系數(shù)可按下列式子求得。

        式中:Nu為努塞爾系數(shù);Pr為流體的普朗特系數(shù);α為電機(jī)與冷卻系統(tǒng)間的對流換熱系數(shù);λ 為冷卻液的導(dǎo)熱率系數(shù)。

        3.2 電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的對流換熱

        電機(jī)轉(zhuǎn)子由于芯部渦流所產(chǎn)生大量的熱量,其中一部分熱量通過氣隙傳遞給了定子,一部分熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給了主軸,還有一小部分通過端部傳遞給了周圍的空氣。

        定子與轉(zhuǎn)子之間氣流的雷諾數(shù)可由下式求得。

        式中:ω 為主軸的角速度(rad/s);v為空氣的運(yùn)動粘度;ds為等效直徑。

        當(dāng)定子與轉(zhuǎn)子之間的氣流處于層流狀態(tài)時,熱量通過導(dǎo)熱由轉(zhuǎn)子的一個表面?zhèn)鬟f到定子的一個表面,整個過程與轉(zhuǎn)速無關(guān)。當(dāng)氣體處于湍流狀態(tài)時,定子與轉(zhuǎn)子之間的導(dǎo)熱系數(shù)可由下列式子求得。

        式中:Nu為努塞爾系數(shù);Pr為流體的普朗特系數(shù);α為定子與轉(zhuǎn)子間氣流的對流換熱系數(shù);λ 為氣流的導(dǎo)熱率系數(shù)。

        3.3 高速電主軸與周圍空氣間的傳熱

        高速電主軸與周圍空氣間同時進(jìn)行著對流換熱和輻射換熱。本文假定電主軸與周圍空氣間的對流換熱均為自然對流換熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可得電主軸與周圍空氣間的對流換熱系數(shù)α=9.7W/(m2.℃)。

        4 ADGM 電主軸熱態(tài)特性的有限元分析

        4.1 構(gòu)建有限元模型

        本文以ADGM 高速電主軸為研究對象,為了簡化計算將其所有細(xì)小結(jié)構(gòu)和一些不重要的部件做以下簡化[5]:

        (1)將螺釘、通氣孔、螺紋孔等其他細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略;

        (2)將軸承滾動體等效為一個圓環(huán),其橫截面積與滾動體的截面積相等;

        (3)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子簡化為厚壁圓筒;

        (4)將電主軸上外殼、定子內(nèi)水套、前軸承座和后軸承座等簡化為一個整體。

        根據(jù)該電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用Solidworks 對各零件進(jìn)行建模和裝配(如圖2),并用ANSYS 軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分(如圖3)。

        圖2 電主軸的三維模型

        圖3 電主軸三維模型的網(wǎng)格劃分

        4.2 電主軸的穩(wěn)態(tài)熱分析

        ADGM 高速電主軸的穩(wěn)態(tài)熱分析限制條件如下所示:

        (1)環(huán)境溫度為Ta=20℃;

        (2)主軸的最高轉(zhuǎn)速nmax=8000r/min;

        (3)冷卻系統(tǒng)的冷卻水流量為V=0.6L/min,冷卻水的初始溫度為T=20℃。

        根據(jù)前面計算式子可以得出前后軸承的發(fā)熱量和電機(jī)的發(fā)熱量及各部分間的傳熱系數(shù)如表2 所示:

        表2 前、后軸承和電機(jī)的發(fā)熱量及各部分間的傳熱系數(shù)

        將上表中所計算得到的數(shù)據(jù)代入到ANSYS 軟件中,當(dāng)沒有通冷卻水時,電主軸溫度分布(如圖4),從圖中可以看出,前軸承溫度最高約為74℃,這是由于前軸承本身摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而且散熱條件不好,所以溫升較高;定子線圈產(chǎn)生的熱量不能有效排出,使得電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的溫升也比較大。當(dāng)通冷卻水時,電主軸的溫度分布(如圖5),從圖中可以看出當(dāng)通冷卻水時,前軸承的溫度得到了有效控制,溫度從74℃降為29℃;而定子、轉(zhuǎn)子中心,后軸承溫度也得到了控制。

        圖4 電主軸溫度場(無冷卻水)

        圖5 電主軸溫度場(通冷卻水)

        4.3 電主軸的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

        電主軸的熱和結(jié)構(gòu)之間的耦合分析是為了進(jìn)一步分析溫度場分布所產(chǎn)生的熱應(yīng)力及溫升對整個主軸系統(tǒng)的影響,本次熱-結(jié)構(gòu)耦合分析采用了間接耦合法,首先要通過穩(wěn)態(tài)溫度場計算出該電主軸的熱載荷,然后將該熱載荷作為熱輸入量加載到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中運(yùn)行計算[6]。當(dāng)沒通冷卻水時,電主軸的熱變形較大(如圖6),最大變形0.12mm;而當(dāng)通冷卻水時,電主軸的最大變形量為0.007mm。從圖6、圖7 中可以看出變形量主要集中在主軸后段,這是由于該電主軸的軸承配置方式是前軸承固定后軸承游動,因此后軸承端的有微量游動,這樣能夠補(bǔ)償電主軸工作時的熱伸長,提高車床的加工精度。

        圖6 電主軸熱-結(jié)構(gòu)耦合分析(無冷卻水)

        圖7 電主軸熱-結(jié)構(gòu)耦合分析(通冷卻水)

        5 電主軸熱態(tài)特性的主要改進(jìn)措施

        電主軸的系統(tǒng)熱態(tài)特性主要由電機(jī)和軸承的發(fā)熱強(qiáng)度、冷卻水的流量和潤滑方式?jīng)Q定,為了改善其熱態(tài)特性,盡量選擇功耗低的電機(jī)、發(fā)熱量小的軸承;對電主軸進(jìn)行CFX 有限元流體分析確定冷卻水的最佳流量;針對電主軸的轉(zhuǎn)速和工作條件確定電主軸的潤滑系統(tǒng),在冷卻條件下,軸承溫升能夠滿足條件(≤20℃)。

        6 結(jié)束語

        (1)根據(jù)ADGM 電主軸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行了熱源分析和計算,確定各部分的傳熱系數(shù),為熱態(tài)特性分析做準(zhǔn)備;

        (2)對電主軸進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析,了解了電主軸的溫度場分布和溫升情況,在冷卻條件下,軸承的溫度得到了有效控制(≤20℃);

        (3)通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,了解了在溫度場影響下電主軸的變形情況,在沒通冷卻水時,電主軸的最大熱變形為0.12mm,而在通冷卻水的情況下,電主軸的最大熱變形0.007mm。

        [1]何強(qiáng),李安玲,葉軍. 加工中心皮帶軸熱力學(xué)仿真分析[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2013(6):15 -16.

        [2]黃曉明,張伯霖,肖曙紅.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析[J].航空制造技術(shù),2003(10):20 -26.

        [3]孫興偉,王聰,王可,等.高速電主軸熱態(tài)特性的研究[J].制造業(yè)自動化,2011(11):111 -113.

        [4]Changlong Zhao,Xuesong Guan. Thermal Analysis and Experimental Study on the Spindle of the Hing-speed Machining Center[J].AASPI Procedia 1,2012:207 -212.

        [5]張明華,袁松梅,劉強(qiáng).基于有限元分析方法的高速電主軸熱態(tài)特性研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2008(4):29-32.

        [6]趙躍超.HMC80 臥式加工中心熱、動態(tài)特性分析及耦合研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

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