高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析.pdf

第3 5 卷第1 期兰州理工大学学报v()L3 5N a12 0 0 9 年2 月J o u m a lo fL a n z h o uU m v e r s i t yo fT e c l l n o l o g yF e b 2 0 0 9文章编号：1 6 7 3 5 1 9 6(2 0 0 9)0 1-0 0 2 8 _ 0 4高速电主轴热态特性的A N S Y S 仿真分析王保民k 2，胡赤兵1 2，孙建仁L 2，刘洪芹1 2(1 兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 I2 兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0)摘要：分析高速电主轴的发热和散热特性，建立高速电主轴热态分析有限元模型运用A N S Y S 有限元软件，分析热稳定状态下电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统对电主轴温升的影响分析结果表明，提高电主轴现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升，但对转子轴的温升影响很小，要有效控制转子轴的温升和提高电主轴的精度和寿命，必须研究转子轴的冷却途径和方法同时，仿真分析转速对电主轴温升的影响，揭示电主轴温度场分布的非线性特征，为电主轴温升的在线监测和控制提供理论依据关键词：高速电主轴；热态特性，仿真分析；A N S Y S中图分类号：T G 6 5 9文献标识码：AS i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e 咖a Ic h a r a c t e r i s t i c so fh i g h _ s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eb yu s i n gA N S Y SW A N GB a 0 _ m i n l”，H UC h i _ b i n 9 1”，S U NJ i a r e n l”，L I UH o n 驴q i n l 2(1 K e yL a b o r a t o r yo fD i g i t a lM 粕u f a c t“n gT e c h n 0 1 0 9)，a n dA p p l i c a t i，T h eM i n i s t 巧o fE d u c a t i o n，L 丑皿h 0 I lU n v o f 风h，L a n z h o u7 3 0 0 5 0，C h i m；2 c o l l e g eo fM e c h a r 盱E l e c t r o l l i cE r I g i n e 甜n g，L 丑皿h o uU 试v 0 fk h，L a f 屹h o u7 3 0 0 5 0。C h i m)A b s t r a c t：T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh i g h _ s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ew a sb u i l tu pf o ri t st h e m a la n a l y s i sb ya n a l y z i n gi t sh e a tg e n e r a t i o na n dh e a tr a d i a t i o r LW i t ht h eh e l po fA N S Y Sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e，t h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h e m a le q u i l i b r i u ms t a t ea n dt h ee f f e c to fc o o l i n ga n dl u b c a t i n gs y s t e mo fm o t o r i z e ds p i n d l eo nt e m p e r a t u r er i s ew e r ea n a l y z e d S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t，b yi m p r o v i n gt h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo fc o o l i n ga n dl u b r i c a t i n gs y s t e mo fm o t o“z e ds p i n d l e，t h et e m p e r a t u r er i s eo fb e a r i n gc o u l de f f e c t i v e l yb ec o n t r o l l e 文T h i sm e t h o dh a s，h o w e v e r，l i t t l ee f f e c to nt h et e m p e r a t u r er i s eo fr o t o rs h a f t T h e r Pf o r ei no r d e rt oe f f e c t i v e l yc o n t r o lt h et e m p e r a t u r er i s eo fr o t o rs h a f ta n di m p r o v et h ea c c u r a c ya n ds e r v i c el i f eo fm o t o r i z e ds p i n d l e，n e wh e a tr a d i a t i o nw a y so fr o t o rs h a f tm u s tb ed e v e l o p e d F u r t h e r m o r e，t h ee f f e c to fr o t a t i o ns p e e do nm o t o r i z e ds p i n d l et e m p e r a t u r er i s ew a sa n a l y z e da n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tr e v e a l e dt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l et e m p e r a t u r ef i e l da n dp r o v i d e dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o ro n-l i n et e m p e r a t u r ei n s p e c t i o na n dc o n t r o lo fm o t o r i z e ds p i n d l 己K e yw o l l d I s：h i g h-s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e；t h e m a lc h a r a c t e r i s t i c s；s i m u l a t i o na n a l y s i s；A N S Y S以高速切削、高速进给、高精度加工为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一，是继数控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术它不仅具有极高的生产率，而且可显著地提高零件的加工精度和表面质量 卜3|高速电主轴是高速数控机床的核心部件，其性能好坏在很大程度上决定着整台机床的加工精度和效率然收稿日期：2 0 0 8 0 7 1 1作者简介：王保民(1 9 7 2 一)，男，甘肃天水人，博士生，讲师而，电主轴温升引起的热位移严重影响着高速数控机床的加工精度和电主轴寿命，对电主轴的热态特性进行仿真分析具有重要的理论意义和实用价值 4 7 A N S Y S 是一种通用的有限元仿真分析软件，具有很强的热分析功能本文应用A N S Y S 有限元计算软件，仿真分析了电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统和转速对电主轴温升的影响，对实际电主轴的设计、加工制作和试验分析有一定的指导作用，可避免试验的盲目性和浪费 万方数据第1 期王保民等：高速电主轴热态特性的A N s Y S 仿真分析2 9 高速电主轴的发热计算高速电主轴有两个主要的内部热源：轴承的摩擦发热和内装式电机的损耗发热1 1 轴承的摩擦发热高速电主轴使用混合陶瓷球轴承，根据P a l m g r e n 计算公式 8 I，轴承滚动体与滚道间接触区的摩擦发热量为H f=1 0 4 7 胁(1)式中：M 为轴承的摩擦总力矩；，z 为轴承内圈的旋转速度轴承总摩擦力矩由两项组成，即M M o+M IM j 是与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩，计算公式为M j l O _ 7 厂o(研)2 3 d 玉埘20 0 0M j 一1 6 1 0-5 d 刍川 2O O O式中：为与轴承设计和润滑有关的系数，对于电主轴角接触球轴承，采用油雾或油气润滑时，=1；v 为润滑油在运转温度下的运动黏度；d。为轴承节圆直径M，是与轴承所受载荷有关的力矩，计算公式为M 1 一厂1P l d。式中：厂。为与轴承结构和载荷有关的系数，对于角接触球轴承，一o 0 0 1；P，为轴承的当量载荷1 2 内装式电机的损耗发热高速电主轴采用内置式电动机，电动机在实现能量转换过程中，电动机内部产生功率损耗而使电动机定、转子发热电机的损耗一般分为4 类：机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗，前3 类损耗为主要损耗，附加损耗在总的损耗中所占的比例很小，约为额定功率的1 5 研究发现，在电动机高速运转条件下，有近1 3 的电动机发热量是由转子产生的，其余2 3 的热量是由定子产生睁1 0 I 2 高速电主轴的传热计算2 1 轴承与油气润滑系统之间的对流换热系数油气润滑是高速、超高速电主轴轴承的最佳润滑方法，油气润滑的原理就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量m 轴承油气润滑的强迫对流换热系数比较难确定，计算通常采用如下经验公式 8 ：。一o 3 3 数lP，一“(v z)“2(2)式中：|=I l 为润滑油的导热系数，W(m K)；P r 为普朗特数；“为对流的速度，m s；v 为润滑油的运动黏度，m m 2 s；z 为特征长度，r n 2 2 电机与油水热交换系统冷却油之间的对流换热系数电机和油水热交换系统冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热，冷却水在定子冷却套的螺旋矩形槽中流动，螺旋矩形槽的几何形状可展开成截面为矩形的等效油管，冷却水在管中的不同流态具有不同的换热规律，所用的对流换热系数计算公式也不相同为此必须先算出雷诺数R 已以判别流态，然后选用相应的公式计算 12 1 管内流体强迫对流的换热系数为，=N 以。D(3)式中：A。为流体的导热系数；D 为螺旋槽几何特征的定性尺度；N“为努赛尔数2 3 电机定、转子之间气隙的自然对流换热系数电主轴定、转子之间气隙的传热属有限空间的自然对流换热，由于定、转子表面温差的存在，气流的受热和冷却也同时存在，再加上转子的转动，气流的上升和下沉相互影响由于气隙很小，这两股气流和旋转气流相互影响，使气隙的对流相当复杂一种比较实用的观点认为无论对于转子表面或定子表面，其气隙表面的传热系数均可以用下式表示 1 3 ：k 一2 8(1+叫譬5)(4)式中：。为气隙的平均风速，a=乱z 2，“z 为转子的圆周速度2 4 转子端部的对流换热系数转子产生的热量一部分通过气隙传给定子，一部分直接传递给主轴和轴承，还有一部分通过端部传给周围的空气转子端部的传热问题主要是与周围空气的对流换热和辐射换热有关，该热交换的换热系数可用下式表示：。=2 8(1+、历面)(5)式中m 为转子端部的平均速度2 5 高速电主轴与外部空气之间的传热系数高速电主轴和周围空气之间不仅进行对流传热，同时还产生辐射传热，这种对流和辐射同时进行的传热过程称为复合传热根据文献 1 4 的实验结果，取复合传热系数。一9 7、(m 2 K)3A N S Y S 仿真分析3 1 高速电主轴的仿真几何模型本文以I B A GH F l 7 0 4 A2 0 型高速电主轴为 万方数据3 0 兰州理工大学学报第3 5 卷研究对象，为了计算方便，对其所有细小结构与次要部件进行了简化由于高速电主轴整体上可以看成是轴对称结构，因此在进行热态分析时，取轴向剖面的一半建立有限元分析几何模型(见图1)选用平面单元P I A N E 5 5 对高速电主轴有限元模型进行网格划分，共有20 1 5 个单元，17 0 3 个节点图l 高速电主轴热态特性分析的几何模型F i 吕1Q 佣r l e t r i cm o d e lo fh j ；I】婚雕dl 舯t 0 I 广i z e ds p i n 棚e3 2 仿真条件1)电主轴的转速：1 0 1 6k r m i n，在恒功率范围之内，功率损耗为3k W 2)油一水冷却系统的入水口温度T m 一2 5，出水口温度k 3 5，矩形槽截面长宽分别为9m m 和6m m 3)油气润滑系统的压缩空气压力为o 4P a，温度为2 5 4)环境温度为2 5 3 3 电主轴恒转速条件时的热态特性电主轴在1 4k r m i n 恒转速下运行，根据前面的分析计算出电主轴各部分的发热和对流换热系数，并进行A N S Y S 仿真轴承的温升如图2 所示，前轴承外圈的最高温度为5 5 2，后轴承外圈的最高温度为5 1 9 轴承的温升除了自身的摩擦发热，转子产生的一部分热量通过转子轴传导给轴承，也是造成轴承温升的原因前轴承的温度高于后轴承的温度，是因为前、后轴承的类型不同、生热率不同和轴承的预紧力不同等因素造成的在实际加工条件下，由于前轴承为受力轴承，前轴承温升会比后轴承更高轴承的温升是导致轴承失效的主要原因，为提高轴承和电主轴的寿命，必须严格控制轴承的p束疆，m i n图2 电主轴轴承的温升(n=1 4k r m i I I)n 吕2T e m p e m t u r er i s eo f a r i n gf 研h i 咖唧e e dm 矾D r i z e ds p j n d l e(刀=1 4 咖i 1 1)温升电主轴在1 4k r m i n 转速下运行4 0m i n 后达到热稳定状态时的温度场分布如图3 所示从图3可以看出，定子的温度较低，因为定子上的油水冷却系统带走了定子上的大部分热量而转子轴的温度最高，约为1 5 7，这是由于转子的散热条件不好，热量容易累积而使温度上升转子轴的温升引起的轴向热位移是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要因素，因此有效控制电主轴的温升是提高电主轴精度和寿命最有效的途径图3 高速电主轴的温度场分布F i 辱31 1 e I n p e r a t 山tf i d do fh i g 妒s p e e dI 啪t o n z e ds p i n d I e3 4 油水冷却系统对电主轴温升的影响油水冷却系统是电主轴主要的冷却方式以1 4k r m i n 恒转速运行时，电主轴的温升随冷却水流量的变化如图4 所示从图4 可以看出，提高油水冷却系统的冷却效率对电主轴定子的温升影响最大，对轴承的温升也有一定的影响，但对转子轴的温升影响很J、p隶赠窖俸议暴幢，：寝p索廷窖暴协鬈冷却水流量(L m i n。)图4 电主轴温升随冷却水流量的变化F 嘻4E 融to fw a t e rc 0 0 I i n gn o wm t eo nt 唧p e r a b l f l er k 辩0 fh i g I 卜s p e e dm o t o r i z e ds p i n m e3 5 油气润滑系统对电主轴温升的影响轴承油气润滑系统是轴承主要的冷却润滑方式电主轴以1 4k r m i n 恒转速运行时，电主轴的温升随空气流量的变化如图5 所示从图5 可以看出，提高油气润滑系统的冷却效率可有效控制轴承温升，但对定子和转子轴的温升影响很小3 6 转速变化对电主轴温升的影响与普通主轴相比，电主轴的转速等切削条件更 万方数据第1 期王保民等：高速电主轴热态特性的A N S Y S 仿真分析3 1 p、幂赠gm侧，髅墓妲，寝ph理雹暴融m*空气流量(L m i n。1)图5 电主轴温升随空气流量的变化F i 吕5E f f b c to fa i r 0 l i I I gn o wr a t e 蚰t e I f n p e 均t u r er i 辩o fh i 曲嘲婶酣肿t o 而脚s p i n m e加多变，对电主轴温升的影响也不容忽视如果电主轴开始以1 0k r m i n 的速度运行20 0 0s 达到热稳定状态，然后以1 6k r m i n 的速度运行5 0 0s，再以1 0k r m i n 的速度运行l5 0 0s 重新回到稳定状态，以此作为仿真条件在电主轴的前端选择4 个位置(如图l 所示)，仿真分析转速变化对电主轴这4 个位置温升的影响仿真结果如图6 所示，从达到温升峰值的时间可以看出，位置1 和2 几乎同时到达峰值，位置3 滞后位置1 约3 0s，位置4 滞后位置1 约2 1s 从温升幅值可以看出，位置1 最大，位置2 次之，位置4 比位置2 稍小些，位置3 最小由此可以看出，各位置的温度变化存在幅值衰减和时问滞后，是一种非线性关系；电主轴内部的温度变化，则能较准确地反映转速等切削条件和轴承温升的变化，而电主轴体表温度对转速等切削条件和轴承温升的变化不够敏感p索瘪f(1 0 2s)图6 转速变化时电主轴温升随时间的变化n 舀6T e m p e 朔n 骶r i s eo fh i 咖却dm 咖d z e d 即j n d l eu n d l e rt k n d j t i 蚰o fm f f 柏l tm t a t i ms p e e d4 结论1)提高现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升，但对转子轴的温升影响很小，而转子轴的温升是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要原因因此，要从根本上改善电主轴的热态特性和提高电主轴的精度以及轴承寿命，必须研究电主轴转子轴的冷却途径和方法2)转速等切削条件变化引起的电主轴各位置温度变化是一种非线性关系因此，在对电主轴和轴承温升进行在线监测和控制中应尽可能将温度监测点的位置选择在电主轴内部参考文献：1 B O s s M A N N sB，J A YFT T h e m lr r l o d e lf o rK g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l J I n t e r m t i o 腿IJ o u r n a Io fM a c K n eT o o l s8 n dM a n u f a c t u r e，1 9 9 9，3 9：1 3 4 5 一1 3 6 6 2 B 0 f S s M A N N sB，J A YFT Ap o w e rf l o wm o d e lf o eh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d k s 刀A S M EJ o u r m lo fM 孤u f a c t u r i n gs c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，2 0 0 l，1 2 3(3)：4 9 4 5 0 5 3 机械工程科学技术前沿编委会机械工程科学技术前沿 M 北京：机械工业出版社1 9 9 6 4 c H E NJs，H S UWY(h a r a c t e d 恐t i o 璐a n dm。d e l sf o rt h et h e r m a lg r o w t ho fam o t o r i z e dh i g hs p e e ds p i l l d l e J I n t e m a t j o n a lJ o u m a lo fM a c h i n eT 0 0 l sa n dM a n u f a c t u 弛，2 0 0 3，4 3：1 3 4 5 1 3 6 6 5 z H A oH a i t a o，Y A N GJ i a n g g u o，s H E NJ i n h u 丑s i m u l a t i o no ft h e m m lb e h a v i o ro faC N Cm a c h i n et ls p i n d l e 口 I n t e m a t i o n a lJ o u m a lo fM a c h i n eT 0 0 l M a I l u f a c t u r e，2 0 0 6，4 6：1 8 6 贺庆强，张勤河，刘克强H 型钢开坯过程的热力耦合有限元分析 J 系统仿真学报，2 0 0 7，1 9(1)：1 9 2 0 7 黄晓明高速电主轴热态特性的有限元分析 D 1 广州：广东工业大学，2 0 0 3 8 H 越艰I sTAR o l l i n gb e a r i n ga n a l y s i s M N 哪Y 0 r k：J o l I lW 订e y S o n s，I n c，2 0 0 1 9 丁舜年大型电机的发热与冷却 M 北京：科学出版社，1 9 9 2 1 0 鲍里先科AH，丹科Br，亚科夫列夫AH 电机中的空气动力学与热传递 M 魏书慈，邱建甫译北京：机械工业出版社，1 9 8 5 1 1 杨柳欣，李松生高速电主轴轴承的油气润滑及其应用口 轴承，2 0 0 3(3)：2 3 2 5 1 2 俞佐平传热学 M 北京：高等教育出版社，1 9 9 l-1 3 魏永田，盂大伟，温嘉斌，等电机内热交换 M 北京；机械工业出版社，1 9 9 8 1 4 陈兆年，陈子辰机床热态特性学基础 M 北京：机械工业出版社，1 9 8 9 1 5 王保民，胡赤兵，邬再新，等高速电主轴定转子气隙变化及影响因素分析 J 兰州理工大学学报，2 0 0 8，3 4(6)：4 0 _ 4 2 万方数据高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析作者：王保民，胡赤兵，孙建仁，刘洪芹，WANG Bao-min，HU Chi-bing，SUN Jian-ren，LIU Hong-qin作者单位：兰州理工大学,数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,机电工程学院,甘肃,兰州,730050刊名：兰州理工大学学报英文刊名：JOURNAL OF LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：2009,35(1)被引用次数：2次 参考文献(15条)参考文献(15条)1.编委会 机械工程科学技术前沿 19962.BOSSMANNS B;JAY F T A power flow model foe high speed motorized spindles外文期刊 2001(03)3.BOSSMANNS B;JAY F T Thermal model for high speed motorized spindles外文期刊 1999(9)4.王保民;胡赤兵;邬再新 高速电主轴定转子气隙变化及影响因素分析期刊论文-兰州理工大学学报 2008(06)5.陈兆年;陈子辰 机床热态特性学基础 19896.魏永田;孟大伟;温嘉斌 电机内热交换 19987.俞佐平 传热学 19918.杨柳欣;李松生 高速电主轴轴承的油气润滑及其应用期刊论文-轴承 2003(23-25)9.鲍里先科 A;丹科B;亚科夫列夫A;魏书慈,邱建甫 电机中的空气动力学与热传递 198510.丁舜年 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