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高速電主軸溫度分布及其影響因素（sù）(下）

2018-10-12 來源：轉載作（zuò）者：吳（wú）玉厚，崔向昆（kūn），孫紅，張麗秀，張珂

摘要：目的分析 70SD30 電主軸溫度場分布情況，為提高主軸加工精度提供理論依據．方法建立電主軸數學（xué）模型及 1 /4 三維幾（jǐ）何（hé）模型，實驗驗證（zhèng）電主軸模型的可靠性．利用 COMSOL 軟件模擬電主軸（zhóu）的溫度分布（bù），研究主（zhǔ）軸轉速、徑向磨削力對電主軸溫（wēn）升的影響．結果電主軸的（de）最高溫度出現在後軸承處，溫（wēn）度為 47． 7 ℃; 電主軸最低（dī）溫度出現在（zài）冷卻水水道處，溫度為 16． 2 ℃; 轉子（zǐ）到（dào）定子間的空（kōng）氣溫（wēn）度迅速遞減; 在冷卻液流量達到 0． 35 m3/ h 時，對（duì）比（bǐ）電主軸後軸承外表麵處溫（wēn）度的實驗數據與模擬數據，平均溫差為 0． 25 ℃，誤差為 1． 3% ．結（jié）論（lùn）軸承和轉子處於（yú）高溫區，由於軸承發熱（rè）率大，而後軸承所處位置（zhì）的結構不利於散熱，導致後軸承溫度最高; 由於定（dìng）、轉子間隙的傳熱係數低，致使轉子到定子的（de）溫（wēn）度（dù）急劇降低; 轉速對後軸承溫升影響最大，而磨削力對前軸承（chéng）溫升影響最大（dà）．

關鍵詞：電主軸; 溫度場; 冷卻液流量; 徑向磨削力

2 、模擬結果及分析

2． 1 實驗驗證

電主（zhǔ）軸（zhóu）溫升測試（shì）裝置由（yóu）高速電主軸測功（gōng）機、冷卻控（kòng）製係統、性能測試係統、異步測功（gōng）機（jī）控製電（diàn）源、空氣壓縮機裝置、油氣潤滑裝置（zhì）等（děng）組成( 見圖 3) ．在電主軸外表麵的軸頭、軸心、軸尾處（chù）分別連接 10 個溫度傳感（gǎn）器，對電主軸外表麵溫度進行測試( 見圖 4) ．

圖 3 電（diàn）主軸係統組成

圖 4 電主軸溫升測（cè）試（shì）平台

在環境溫度 16 ℃，主軸轉速12 000 r/min，冷卻水水溫（wēn） 15 ℃時，實驗研究冷卻水流量對電主軸（zhóu）外表麵後軸承位置處溫升的影響，並與模擬結果對比，結果見圖（tú） 5．

圖 5 實驗與模擬對比曲線

從圖 5 中（zhōng）可以看出，模擬中，隨著冷卻水流量的增加，電主軸溫度出現一個先下降到基（jī）本不變的趨（qū）勢．在冷卻水流量小於0. 35 m3/ h時（shí），電主軸溫升受冷卻水流量的影響較大，溫度下降速率較（jiào）快，這是由於（yú）隨著冷卻水流量的增加，冷卻水水道表麵（miàn）的散熱係數不斷增加，冷卻（què）水對電主軸的降溫效果比較明顯．當冷卻水流（liú）量大於 0． 35 m3/ h 時，電（diàn）主軸溫升基本不受冷卻水流量的影響，這是由於（yú）過高的（de）冷（lěng）卻水流速不能有效地帶走定子產生（shēng）的熱量．實驗（yàn）中，電主（zhǔ）軸溫度隨著冷卻水流量的增加逐漸降低，在流量達到0． 35 m3/ h之後，電主軸的溫度基本不變（biàn）．對比（bǐ）實驗與模擬的結果，得到平均溫差為 0． 25 ℃，誤差為1． 3% ，在（zài）允許的誤差範圍之內（nèi），實驗與模擬（nǐ）的結果接近一致（zhì），模型可靠．

2． 2 溫（wēn）度場分布

將初始條件、熱源發熱率、散熱係數等邊界（jiè）條件施（shī）加在 COMSOL 軟件中，得到穩（wěn）態下170SD30 電主軸的溫度分布情況( 見圖 6) ．從圖 6 中可以看出，軸承和轉軸的溫度較高，定子和外殼的溫度較低．電主軸的最高溫度出現在後（hòu）軸承處，溫度為 47. 7 ℃．這是由於軸承受黏性摩擦力矩和預緊力的影響，產熱較多，且電主軸在後軸承處的結構不利於散熱，熱量在軸承處積累，導致後軸承處溫度最高．

圖 6 170SD30 電主軸（zhóu）溫（wēn）度場分布

轉（zhuǎn）軸溫度為 45. 91 ℃，軸承和轉子通過熱傳導的形式將熱量傳遞給轉軸，而（ér）轉軸（zhóu）處（chù）於電主軸的中心，隻能通過油氣（qì）潤滑係統帶走少部分熱量（liàng），所以（yǐ）轉軸的溫度略高．定（dìng）子的溫度為（wéi） 20. 01 ℃，這是由於定子受冷卻水（shuǐ）強製對流換熱的影響，冷卻水流經冷卻水水（shuǐ）道，將定（dìng）子產生的（de）大部分熱量帶走，導致定子溫度較低，定轉子間產生很大的溫差．電主軸前軸承位置外表麵處的溫度為 30. 57 ℃，與實驗溫度相（xiàng）差 0. 4 ℃，電主軸後軸承位置外表麵處（chù）的溫度為 34. 68 ℃，與實驗溫（wēn）度相差（chà）0. 2 ℃ ，後軸（zhóu）承溫度高（gāo）於前軸承，這是由於電主軸內部熱源通過熱傳導的形式將熱量傳遞給外殼，且前後軸承的（de）產熱較多，導致電主軸外表麵（miàn）軸承處的溫度較高．

圖 7 為定、轉（zhuǎn）子間隙（xì）處的溫度（dù）分布．由圖7 可得轉子（zǐ）外表麵的（de）溫度較（jiào）高，定子內表麵的溫（wēn）度較低，定、轉子之間存在很大的溫（wēn）差，這是（shì）由於（yú）冷卻水對定子（zǐ）的強製對（duì）流換熱導致定子處溫度較（jiào）低．定、轉子之（zhī）間存在 0. 3 mm的間（jiān）隙，轉子隻能以自然對流換熱的形式（shì）進行散（sàn）熱，熱（rè）量不能及時的散發，導致轉子處（chù）溫度較高．定子到轉子之（zhī）間的溫度逐漸遞增，充分表（biǎo）現了空氣在定（dìng）、轉子（zǐ）間隙（xì）處的溫度（dù）梯（tī）度變化過程，且受空氣流動的影響，溫度傳遞速度加快.

圖 7 定轉子間隙處的溫度分布

2． 3 主軸轉速的影響

在（zài）電主軸額定轉速下，分別（bié）對轉速5 000 r / min、10 000 r / min、15 000 r / min、20 000 r / min、25 000 r / min 時（shí）的（de）電主軸前軸承（chéng）、後軸承、轉軸、轉子外表（biǎo）麵（miàn） 4 個位置進行（háng）溫（wēn）度測量，轉（zhuǎn）速對電主軸不同位置溫升的影響曲線見圖 8．

圖 8 轉速對電主軸不同位（wèi）置溫升的影響

從圖 8 中可以看出，4 個位置的溫度隨（suí）著（zhe）主軸轉速（sù）的增加不斷上升（shēng），後軸承溫升受主（zhǔ）軸轉速的影響最大，溫度上升速率最快，前軸（zhóu）承次之，這是由於軸承發熱量直接受主軸轉速的影響，轉速越高（gāo），軸承發熱量越大，溫度升高越快（kuài）．轉（zhuǎn）軸和外殼的溫升最小，轉軸處的溫升相對（duì）於前（qián）後軸（zhóu）承較小，這是（shì）由於轉軸不（bú）是熱源，它的熱量是通（tōng）過軸承和轉子以熱傳導的形式傳遞的．轉子（zǐ）外表麵溫升受主軸轉速影響最小，這是由於轉子（zǐ）不與軸承直接接觸，溫度傳（chuán）遞速率較慢，且轉子受油氣潤滑係（xì）統壓縮空氣對流換熱的影響，將部分熱量帶走．

2． 4 徑向磨削力的影響

在電（diàn）主軸額定轉矩 M額= 4. 8 N·m 的情況下進行磨削加工時，主軸前端所承受的最大徑向力 Fr= M額r = 196 N．在最大徑向力下，取一組數據 0、50 N、100 N、150 N．不考慮電主軸剛性的影響，在最大徑向力之外，取一組數據 200 N、250 N、300 N、350 N．外圓磨削時，軸向磨削力的（de）值相對（duì）於徑向磨削力較小，一般可不考慮，將兩組徑向磨削力分別（bié）加到轉軸端部，研究徑向磨削（xuē）力對電主軸不同位（wèi）置溫升的（de）影響，結果見圖 9．

圖 9 徑（jìng）向磨削力對電主軸不同（tóng）位置溫升的影響

從圖 9 中可以看出（chū），前軸承溫升受磨削力（lì）影（yǐng）響最大，每增加 50 N 的磨削力前（qián）軸承溫度升高 0. 3 ℃，後（hòu）軸承次之（zhī）．這是由於主軸端部受力（lì）時，前軸承分解的力要大於後軸承，且（qiě）軸承發熱直（zhí）接受磨削力影響，磨削力越大，軸承處受到的載荷（hé）力矩（jǔ）越大，軸承發熱量越大，溫度升高越快（kuài）．轉（zhuǎn）軸處（chù）溫升（shēng）受磨削力（lì）影（yǐng）響不大，轉子外表麵受磨削力影響較小（xiǎo），這是由於隨著磨削力的增加，前後軸承發熱量增加，轉軸與軸承直接接觸，熱量傳（chuán）遞速（sù）率（lǜ）較（jiào）快，轉子相對（duì）於轉軸不與軸承直接接觸，且在電主軸運行過程中受（shòu）壓縮空氣對（duì）流換熱的影響，溫（wēn）升（shēng）速率較慢（màn）．

3、結論

(1) 170SD30 電主軸的受力特點是（shì）前軸承大於後軸承，但由（yóu）於後軸（zhóu）承所處位置的結構不利（lì）於散熱，導致後（hòu）軸承（chéng）溫度反而高於前軸承．

(2) 軸承和轉子處於高溫區，後軸（zhóu）承區（qū）域溫度（dù）最高; 從轉軸到轉子、到定子、到水套、再到外殼溫度逐漸降低; 由於定、轉子間隙空（kōng）氣傳熱係數低，致使從轉子到定子的溫度急劇（jù）降低（dī）．

(3) 隨著轉（zhuǎn）速和磨削力的增大，電主軸溫度升高; 轉速增加，後軸承的溫升梯度最（zuì）大; 而磨削力增加，前軸（zhóu）承的溫升梯度最大.

來源：沈陽建築大學機械工（gōng）程（chéng）學院，沈陽建（jiàn）築大學交通工程學院，

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