胡 秋 李夢(mèng)陽(yáng) 袁南南

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

力矩電機(jī)直驅(qū)式液體靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)具有精度高、動(dòng)態(tài)性能好、集成度高、體積小、無(wú)磨損、免維護(hù)及故障率低等蝸輪蝸桿式轉(zhuǎn)臺(tái)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，故在精密超精密加工裝備行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。

然而，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)力矩電機(jī)內(nèi)置式設(shè)計(jì)使得在一個(gè)有限的空間內(nèi)集中了電機(jī)發(fā)熱、軸承摩擦發(fā)熱兩大發(fā)熱源，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)工作過(guò)程中，在這兩大熱源的影響下，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)特性變差，因此直驅(qū)式轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)特性控制與優(yōu)化顯得成為重要。

以某精密立式數(shù)控磨床用高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)為例，介紹了其熱態(tài)控制控制策略，開(kāi)展了轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)性能仿真與分析，并對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)溫升和熱變形對(duì)支承系統(tǒng)承載性能進(jìn)行了分析，取得了較好的效果，以期對(duì)同類轉(zhuǎn)臺(tái)的研制提供幫助。

1 大扭矩回轉(zhuǎn)工作臺(tái)應(yīng)用背景及問(wèn)題提出

某直驅(qū)式超精密液體靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)是某超高精度數(shù)控立式磨床關(guān)鍵功能部件之一[2]，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)要求具有良好的回轉(zhuǎn)精度、剛度及熱態(tài)特性。如圖1，根據(jù)機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)整體采用組件式設(shè)計(jì)以便于轉(zhuǎn)臺(tái)零部件制造與精度提升，轉(zhuǎn)臺(tái)支承系統(tǒng)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(zhuǎn)臺(tái)采用大扭矩力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有利于提高精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[3]。

在該轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中，根據(jù)工況需要[2]，采用了西門子無(wú)框力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，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(zhuǎn)臺(tái)根據(jù)剛度和承載能力需要，轉(zhuǎn)臺(tái)徑向軸承直徑和長(zhǎng)度分別為220 mm和220 mm，止推軸承為閉式環(huán)形止推導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，止推軸承外徑為400 mm，承載油膜面積大，轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在油膜剪切發(fā)熱。

整體組件-直接驅(qū)動(dòng)式的總體技術(shù)方案省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，有利于提升轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度和響應(yīng)特性提升，然而整體組件式設(shè)計(jì)卻使得在一個(gè)有限的空間內(nèi)集中了轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)所有的熱源，包括大扭矩大功率力矩電機(jī)功率損耗、大面積承載油膜發(fā)熱和密封面摩擦發(fā)熱，這給轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)特性分析與冷卻設(shè)計(jì)帶來(lái)了較高的要求。

2 熱態(tài)特性改善策略

分析轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱源組成及傳熱路徑，從減少熱源強(qiáng)度、加強(qiáng)散熱、優(yōu)化支承設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面采取措施，以改善轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)特性[4-5]，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)熱態(tài)特性優(yōu)化策略總結(jié)見(jiàn)圖2。

減少熱源強(qiáng)度是改善熱態(tài)特性的積極措施。可以從減少熱源數(shù)量和減少無(wú)法移除熱源的熱源強(qiáng)度兩方面入手。在本轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)中工作臺(tái)與上止推導(dǎo)軌，轉(zhuǎn)臺(tái)芯軸與電機(jī)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?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠密封圈接觸式密封，杜絕接觸式密封所致摩擦發(fā)熱；對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用永磁同步電機(jī)替代異步電機(jī)以降低電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中功率損耗；對(duì)靜壓支承系統(tǒng)，采用稀油介質(zhì)，同時(shí)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)熱量，同時(shí)大流量策略使得大量熱量被靜壓油帶走。

其次，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)散熱。對(duì)大功率力矩電機(jī)，采用了恒溫強(qiáng)制水冷措施，通過(guò)冷卻水帶走電機(jī)運(yùn)行過(guò)程由于功率損耗而產(chǎn)生的熱；對(duì)于靜壓支承系統(tǒng)，采用大流量設(shè)計(jì)策略，使靜壓油不僅起到承載作用，同時(shí)也帶走內(nèi)部熱源所產(chǎn)生的熱；在靜壓供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用強(qiáng)冷措施，控制靜壓支承系統(tǒng)供油溫度。

最后，在轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理布置工作端和游動(dòng)端支承。在轉(zhuǎn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)中，大扭矩電機(jī)下置，使系統(tǒng)最大內(nèi)熱源遠(yuǎn)離工作端，從而使得熱變形盡量往非工作端游動(dòng)，從而符合高精度加工機(jī)床主軸工作端熱伸長(zhǎng)應(yīng)盡量少的設(shè)計(jì)原則。

3 熱態(tài)特性仿真分析

基于對(duì)稱性，取1/6轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)建模。采用ICEM軟件對(duì)各零件劃分網(wǎng)格，流體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)熱源，電機(jī)按集中熱源處理；油膜為粘性耗散生熱，在CFX軟件中開(kāi)啟粘性耗散方程，軟件自動(dòng)計(jì)算熱量并計(jì)入能量方程[6]。

設(shè)定流體域入口為恒壓2 MPa，環(huán)境溫度為20 ℃，回油出口壓力為0 MPa；流體和固體交界面設(shè)置為耦合傳熱；靜壓油設(shè)為層流狀態(tài)；開(kāi)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(zhǔn)確性和可靠性。

以轉(zhuǎn)臺(tái)常用工作轉(zhuǎn)速30 r/min為例，其整體溫度場(chǎng)如圖3所示，從分析結(jié)果中可以看出：(1)工作條件下轉(zhuǎn)臺(tái)溫度整體上升，最高溫升出現(xiàn)在電機(jī)定子處，為29.57 ℃，工作臺(tái)面處溫升最低，僅有0.23 ℃，符合轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)工作端低溫升預(yù)期。(2)止推軸承油膜溫升最高點(diǎn)在每個(gè)油腔封油邊處，溫升為1.064 ℃，溫升極小，原因一方面在于轉(zhuǎn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)為電機(jī)下置，止推軸承遠(yuǎn)離電機(jī)這一轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)最大內(nèi)熱源，另一方面轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)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(jī)端呈明顯遞增趨勢(shì)，工作端和電機(jī)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(jī)定子功率損耗熱傳到油膜上，故從工作端往電機(jī)端明顯呈遞增趨勢(shì)，靠近電機(jī)端和工作端溫升有較大區(qū)別。

求解轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)溫度場(chǎng)后，將體溫度場(chǎng)導(dǎo)入靜力學(xué)模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形計(jì)算。如圖4，整體來(lái)看，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)沿軸向最大熱位移發(fā)生在電機(jī)定子端尾部，為74 μm；沿軸向最小熱位移發(fā)生在主軸工作端工作臺(tái)面處，約0.3 μm。沿徑向最大熱位移發(fā)生在外殼靠近電機(jī)的一端，為27 μm。從整體看，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作端熱伸長(zhǎng)極小，符合項(xiàng)目預(yù)期。

在機(jī)床上對(duì)研制的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了熱態(tài)特性測(cè)試[2]，整個(gè)測(cè)試過(guò)程持續(xù)4H，文獻(xiàn)[2]對(duì)熱態(tài)特性測(cè)試作了詳細(xì)描述與分析，測(cè)試結(jié)果表明，研制的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)具有較好的熱態(tài)特性，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 溫升及熱變形對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)支承承載特性的影響

轉(zhuǎn)臺(tái)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)各零件存在一定溫升與熱變形，這種溫升和熱變形對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)性能會(huì)產(chǎn)生一定影響，其影響機(jī)制如圖5所示。

由前述溫度場(chǎng)仿真分析可知，靜壓油只在靠近電機(jī)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(dǎo)致的軸承性能變化極小，可以忽略其對(duì)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(duì)止推軸承承載性能影響極小。

對(duì)于徑向軸承，油膜間隙變化從工作端至電機(jī)端熱變形從小變大，在工作端，遠(yuǎn)離系統(tǒng)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(jī)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(jì)算剛度降低19%(2 800 N/μm)，但滿足項(xiàng)目技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

從減少熱源強(qiáng)度、加強(qiáng)散熱和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對(duì)大扭矩直驅(qū)式超精密液體靜壓回轉(zhuǎn)工作臺(tái)提出了熱態(tài)特性改善措施，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)溫度場(chǎng)及熱位移仿真分析表明，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)工作端溫升及熱伸長(zhǎng)較小，符合高精度主軸工作端熱伸長(zhǎng)盡量小的設(shè)計(jì)原則。

在熱位移場(chǎng)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)溫升及熱變形對(duì)支承系統(tǒng)承載特性影響，得益于有效的熱態(tài)特性控制策略，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)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(xiàng)目需要。