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高速（sù）電主軸冷卻水參數對其溫度場（chǎng）的影響研究

2018-10-18 來源：沈陽建築大學高檔（dàng）石材數控加工裝備與作者：張麗秀，李超群，李金鵬，吳（wú）玉厚

摘要: 以 COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件（jiàn）為工具，建立 170SD30-SY 型電（diàn）主軸水冷係統有（yǒu）限元模型，並對不（bú）同水流量下水冷係統（tǒng）溫度場進行仿真; 搭建水冷係統溫升實（shí）驗平台，分別對不同轉速下（xià）的電主軸水冷卻係統參數與電主軸溫度的關係進行（háng）實驗。研究（jiū）結果表明（míng）: 不同轉速下，隨著（zhe）冷卻水流量的增加，電主軸溫度（dù）有不同程度的降低; 冷卻（què）水流量為 0．28 m3/ h ～ 0．30 m3/ h 時，冷卻效果均為最佳選擇; 同（tóng）時，通過改變冷卻水初始溫度來控製電主軸（zhóu）溫升具有更直接效果。

關鍵詞: 電主（zhǔ）軸; 水冷係統; 有限元模型; 溫（wēn）升實（shí）驗

高速電主軸是數控機床的心髒（zāng），是保證機床工作（zuò）精度的（de）關鍵部件，其技術的高低、性能的優劣以及單元的配套水平，都決定和影響著數控機（jī）床的發展速度。電主軸高速運轉過程的（de）電機損耗發（fā）熱是其內部主要（yào）熱源之一，大量的熱量導致不均勻（yún）的主軸零件熱膨脹或刀具變形，影響電主軸的（de）精度甚至（zhì）軸承的（de）預緊力，進而影（yǐng）響機床的加工精度及使用壽命。高速電主（zhǔ）軸常用的冷卻方式為水套冷卻，該水冷係統的散熱效率決（jué）定了電主軸整機溫度場，因此其係統參數的選取（qǔ）至關重要。近年來，大量學者（zhě）對電（diàn）主軸冷卻係統的各項參數的（de）優化選擇做了很多努力。 BrailsonMansingh 等通過數值分析和三維仿真，設計（jì）出的矩形冷（lěng）卻環路能夠更有效的降低電主軸溫升。西南科技大學采用（yòng）熱-結構耦（ǒu）合的方法分析出電主（zhǔ）軸熱變（biàn）形是影響（xiǎng）加工精度的一（yī）個（gè）重要原因。張珂等通過有限元軟件模擬仿真出不同冷卻水道（dào）對電主軸溫度場的影響，得出水道最佳寬度為（wéi） 4 mm; 芮執元等采用正交實驗法對電主軸電機發熱功率與冷（lěng）卻液流速進行分析，得出改（gǎi）變冷卻（què）液流速能使電主（zhǔ）軸溫度降低 5 ℃ ～ 8 ℃ 。陳文華等運用有限元分析軟件對在不同環境溫（wēn）度、冷卻水等條件下的螺（luó）旋型（xíng）水套進行了分析得出，適當的冷卻水（shuǐ）流速對電（diàn）主軸電機的溫升有（yǒu）很好的控製作用，且環境溫度不是影響電主軸溫（wēn）升的主要因素。儲澤（zé）楠等通（tōng）過對電主軸的（de）水冷係統（tǒng）研究得出，選擇合適的冷卻（què）水道尺寸、增加（jiā）冷卻水流量（liàng）及改變冷卻水的溫度都可有效降低電主軸定子（zǐ）溫度。

以上研究大多直接通過理論計算得出定子生熱量、冷卻水（shuǐ）與水套間的換熱係數等，模型的預測精度較低，且沒有進一（yī）步（bù）分析冷卻水（shuǐ）流量及其溫度對電主（zhǔ）軸溫升的直接影響，因此相關研究成果的實際應（yīng）用受到限製。通（tōng）過搭建 170SD30-SY 型電主軸水冷（lěng）係統溫升實驗平台（tái），對不同轉速下冷卻水（shuǐ）流量對（duì）電主（zhǔ）軸溫（wēn）度場的影響進行（háng）實驗研究; 運用有限（xiàn）元仿真軟（ruǎn）件 COMSOL Multiphysics 建立電主軸水冷係統溫升（shēng）預測模型，仿真不同轉速下電機定子（zǐ）在不同水流量的溫度場。結果表明，冷卻水流量存在最佳工作區間，且冷卻水初始溫度對電主軸溫度場影響較（jiào）大（dà）。

1、電主（zhǔ）軸水（shuǐ）冷係統有限元仿真模型

1. 1 冷卻係統對流換熱理論

電主軸在高速運轉時的主要冷（lěng）卻方式是水冷係統對電主軸（zhóu）定子的冷卻。在冷卻水道一定的情況下，如果（guǒ）流速過小，冷卻水不能對電機（jī）定子（zǐ）充分冷卻; 如果流量過大，冷卻水（shuǐ）可能來不及（jí）帶（dài）走熱量，電主軸（zhóu）溫（wēn）升不能得到（dào）有效控製，同時過大的流速將消耗更多的（de）能量（liàng），因此選擇合適（shì）的冷卻水流量（liàng）對電主軸溫度場的精（jīng）確控製具有直接意義.

根據（jù）流體力學和傳熱學理論可得，流道內水流為湍流時，對流換熱熱阻較小，即（jí）換熱係數比層流時大，所以直（zhí）接選（xuǎn）擇電主（zhǔ）軸冷卻水流態為湍流（liú）時的流量為研（yán）究對象，可以推導電主軸水套中冷卻水流量對電機定子（zǐ）表麵（miàn）與冷卻水之間的換熱係數影響（xiǎng）的關係式，即

選 170SD30-SY 型電主（zhǔ）軸冷卻係統水套為研（yán）究（jiū）對象，即水套長 128 mm，外徑 136 mm，內徑120 mm，水道寬 4 mm。當電（diàn）主軸轉速為 10 000 r/min 時，由式( 1) 和式( 2) 可得定子溫度與冷卻水流量的關（guān）係。

圖 1 電主軸定子溫度（dù）與冷卻水流量理論關係

從圖 1 可以看出，隨著水流量的（de）增加，溫度呈下降趨勢，但考慮隨著水流（liú）量增加將加大（dà）能（néng）量消耗（hào）。所以，對應不（bú）同的工作轉速，電主軸（zhóu）需要選取使溫度變化梯度較小的冷卻（què）水流量（liàng）作為最佳工況參數。

1. 2 電主軸有限（xiàn）元模型及溫度場仿真

從式( 1) 和式( 2) 可以看出，冷卻（què）係統換熱理論（lùn）是基於換熱係數為媒介的水冷係統溫度計算，隻考慮到冷卻水（shuǐ）流量對電主軸溫度場（chǎng）的影響，實際工作中的換熱係數還與冷卻水溫度有關; 而（ér）有限元仿真得水冷（lěng）係統溫度場是（shì）基於（yú）冷卻水流量（liàng）和冷（lěng）卻水溫度對其換熱係數綜合影響的計算（suàn）。建立的（de） 170SD30-SY 型（xíng）電主軸電機（jī）的冷卻係統模型（xíng），如圖 2 所示。在保證計算精度的前提下，將冷卻水、水套、定子（zǐ）簡化為圓筒裝配，忽略所（suǒ）有的螺（luó）釘、通氣孔、通（tōng）水孔及其（qí）一些細小（xiǎo）結構。運用 COMSOL Multiphysics 有限元軟件建立電主軸水冷係統（tǒng）模型。假設電主軸運行環（huán）境溫度（dù） T0= 14 ℃ ; 水（shuǐ）冷係統進水口溫度 Tw= 12 ℃ ;由油氣潤滑係統壓縮空氣進氣壓力為 0. 37 MPa，轉（zhuǎn）子外表麵半徑為 39. 5 mm，定轉子間隙為 0. 5 mm 可得到，定子內壁與轉子（zǐ）間（jiān）氣隙（xì）的換熱係數為196 W / (m2·℃); 其他與空氣接觸部位的換熱係數取複合換熱係數（shù） 9. 7 W/( m2·℃)［。材料各項屬性如表 1 所示，模型采用自由剖分四麵體網格。其中，冷卻水模型四麵體單元個數60 799，棱形單元個數 85 380 個，最大單元尺寸0. 291 9 mm，最（zuì）小單（dān）元尺寸 0. 054 24 mm。水冷係統模型四麵（miàn）體單元個數 162 750，棱形單元個（gè）數120 120個，最大單元尺寸 3. 33 mm，最小單元尺寸0. 217 mm。在電主軸轉速為 5 000 r / min、8 000 r / min、10 000 r / min、12 000 r / min 時，冷卻（què）水流量取0. 26 m3/ h、0. 28 m3/ h、0. 30 m3/ h、0. 34 m3/ h、0. 38 m3/ h，分別進行有（yǒu）限（xiàn）元仿真計算。

圖 2 水冷係統三維模型

表 1 模型中材料的參數

從圖 3 可（kě）看（kàn）出: 電主軸轉速為 5 000 r/min 時，隨著冷卻水流量的增（zēng）加，定子、水套、冷卻水穩態溫度分別降低 2. 6 ℃、2. 6 ℃、1. 3 ℃; 電主軸（zhóu）轉速為8 000 r / min時，定（dìng）子（zǐ）、水套、冷卻水穩態溫（wēn）度分別降低3. 8 ℃ 、3. 79 ℃ 、1. 8 ℃ ; 電主軸轉速為 10 000 r / min 時（shí），定子、水套、冷卻水穩態溫度分別（bié）降低 4. 3 ℃、4. 31 ℃ 、2. 08 ℃ ; 電主軸轉（zhuǎn）速為 12 000 r / min 時，定子、水套、冷卻水穩態溫（wēn）度（dù）分別降低 4. 3 ℃、4. 48 ℃ 、2. 18 ℃ 。即轉速越高（gāo），冷卻水流（liú）量對電主軸（zhóu）係統的降溫效果越明顯。水冷（lěng）係統各部位溫度均下降且趨勢一致，但考慮（lǜ）到實際生（shēng）產中的能耗比，水流量在 0. 28 m3/ h ～ 0. 30 m3/ h 之間時即可保證電主軸溫度正常（cháng）工作，所以（yǐ），可選擇保（bǎo）證電主軸溫（wēn）度下降梯度較小的（de）流量範圍作為最佳（jiā）選擇。

圖 3 不同轉速下電主軸水冷係統溫度（dù）與冷卻水流量的關係

從圖 4 可看出: 冷卻（què）水流量為 0. 28 m3/ h 和0. 30 m3/ h 時（shí），電主軸轉速為 5 000 r / min 時，溫度（dù）下降梯度最小為 0. 4 ℃; 轉速為 8 000 r/min 時，溫度下降（jiàng）梯（tī）度最小為 0. 6 ℃; 轉速為 10 000 r/min 時，溫度下降梯度（dù）最小為 0. 6 ℃; 轉速為12 000 r/min時，溫度下降梯度最小為 0. 7 ℃。

圖 4 不同轉（zhuǎn）速下電主軸水冷係統等溫線圖（tú）

2、電主軸水冷係統溫升（shēng）實驗（yàn）

圖 5 電（diàn）主軸溫升測試裝置

為了證明電主軸水冷係統參數對其溫度場的影（yǐng）響，搭建如圖 5 所示的（de）電主軸水冷係統溫升（shēng）實驗平台。該（gāi）實驗平台可通過電磁閥調控冷卻水流量，通過製冷（lěng）機（jī）調控冷卻水初始溫度。測試時，分別在（zài）電主軸（zhóu）前後軸承位置及兩軸承（chéng）跨距中間位置布置共計30 個溫（wēn）度傳感器，對電主（zhǔ）軸（zhóu）各部位進行溫度測量，並運用紅外溫度測量儀測量軸頭溫度（dù）變（biàn）化。

2. 1 電主軸溫升（shēng）實驗

實驗條件與仿真條件一致，且空壓機壓力為0. 72 MPa，油氣潤滑係統（tǒng）進氣（qì）壓力調為 0. 37 MPa，供油間隔為 3 min，每次（cì）噴（pēn）油量為 12. 33 mm3; 環境溫度為 T0= 14 ℃ 左右; 冷卻水流量為 0. 26 m3/ h0. 28 m3/ h、0. 30 m3/ h、0. 34 m3/ h、0. 38 m3/ h，初始溫（wēn）度 Tw= 12 ℃ ; 電主軸空載，轉速分（fèn）別為5 000 r / min、8 000 r / min、10 000 r / min、12 000 r / min，測量電主軸運行過程中的溫度（dù）變化，實（shí）驗進行中間隔 20 s 自動記（jì）錄（lù）一次實驗數據。選取其中同一傳感（gǎn）器溫（wēn）度數據做對比，實驗結果如圖 6 所示。

圖 6 不同轉速下冷（lěng）卻水流量（liàng）對電主軸溫度（dù）的影響

從圖 6 可看出: 隨著冷卻（què）水流量（liàng）的增加，電主軸轉速（sù）為 5 000 r/min 時，電主軸穩態溫度降低1. 45 ℃ ; 轉速為 8 000 r / min 時，電主軸穩態（tài）溫度（dù）降低1. 67 ℃; 轉速為 10 000 r/min 時，電主軸穩態溫度降低 1. 25 ℃; 轉速為 12 000 r/min 時，電主軸穩態溫度降低（dī）0. 87 ℃。電主軸轉速為 5 000 r/min，冷卻水流量（liàng）0. 28 m3/ h時電主軸溫度最低; 電主軸轉速為8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min，冷卻水流量 0. 30 m3/ h 時電主軸溫度最低。

2. 2 冷卻水初始（shǐ）溫度對電主軸溫度的影響

考（kǎo）慮到冷（lěng）卻水初始溫度是水冷係統影響電主軸溫度的參數之一。在電主軸轉速為 10 000 r/min時，其他實驗條（tiáo）件保持不變（biàn），通過調節冷卻（què）水的（de）初始溫度，進行電主軸（zhóu）溫升（shēng）實驗。實驗結果如圖 7 所示。

圖 7 冷卻水初始溫度對主軸溫升的影響（xiǎng）

從圖 7 可以得出: 冷卻水初始溫度從 15 ℃ ～19 ℃ 變化時，電主軸溫度從（cóng） 32. 56 ℃ 上（shàng）升至36. 38 ℃ ，溫差達到 3. 82 ℃ 。因此，冷卻水溫度可直接影響電主軸穩態溫度。

2. 3 冷卻水（shuǐ）流量對電主軸溫度（dù）的影響

為了驗證仿真結果的有效性，選取電主軸空載運轉 5 400 s，達到穩定狀態下的定子部位（wèi）實驗溫度與仿（fǎng）真溫度對比，結果如圖 8 所示。從圖 8 可以看出: 不同轉（zhuǎn）速下，隨著冷（lěng）卻水流量的（de）增（zēng）加，電主軸仿真溫（wēn）度與實驗溫度的變化趨勢一致; 電主軸轉（zhuǎn）速為 5 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r / min、12 000 r / min 時，實驗溫度與仿真溫度平均誤差分別為 1. 874 ℃、2. 086 ℃、2. 88 ℃、2. 41 ℃ ，產生較大誤差是由於定轉子間隙的換熱係數是由文獻中理論公式（shì）計算所（suǒ）得，與實際工況中主軸（zhóu）型號等因素有差異，可通過對換熱係數的優化（huà）來提高模型精度。

圖 8 實驗溫度與仿真溫度對比

3 、結論

1) 170SD30-SY 型電主軸的最佳（jiā）冷卻水流量為0. 28 m3/ h ～ 0. 30 m3/ h;2) 冷卻水初始溫度對電主軸溫度場（chǎng）有直接影（yǐng）響作用，必要時，可通過改變冷卻水初始溫度控（kòng）製電主軸溫升;3) 換（huàn）熱係數的選取對有限元（yuán）模型的預測精度有著（zhe）較大影響（xiǎng），因此對換熱係（xì）數的優化值得進一步研究且有實際意義。

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