高速電主軸溫度分布及其影響因素(下）
2018-10-12 來源：轉載 作者：吳玉厚，崔向昆，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 建立電主軸數學模型及 1 /4 三維幾何模型，實驗驗證電主軸模型的可靠性． 利用 COMSOL 軟件模擬電主軸的溫度分布，研究主軸轉速、徑向磨削力對電主軸溫升的影響． 結果 電主軸的最高溫度出現在后軸承處，溫度為 47． 7 ℃; 電主軸最低溫度出現在冷卻水水道處，溫度為 16． 2 ℃; 轉子到定子間的空氣溫度迅速遞減; 在冷卻液流量達到 0． 35 m3/ h 時，對比電主軸后軸承外表面處溫度的實驗數據與模擬數據，平均溫差為 0． 25 ℃，誤差為 1． 3% ． 結論 軸承和轉子處于高溫區，由于軸承發熱率大，而后軸承所處位置的結構不利于散熱，導致后軸承溫度最高; 由于定、轉子間隙的傳熱系數低，致使轉子到定子的溫度急劇降低; 轉速對后軸承溫升影響最大，而磨削力對前軸承溫升影響最大．
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
電主軸溫升測試裝置由高速電主軸測功機、冷卻控制系統、性能測試系統、異步測功機控制電源、空氣壓縮機裝置、油氣潤滑裝置等組成( 見圖 3) ． 在電主軸外表面的軸頭、軸心、軸尾處分別連接 10 個溫度傳感器，對電主軸外表面溫度進行測試( 見圖 4) ．
圖 3 電主軸系統組成
圖 4 電主軸溫升測試平臺
在環境溫度 16 ℃，主軸轉速12 000 r/min，冷卻水水溫 15 ℃時，實驗研究冷卻水流量對電主軸外表面后軸承位置處溫升的影響，并與模擬結果對比，結果見圖 5．
圖 5 實驗與模擬對比曲線
從圖 5 中可以看出，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 本 不 變 的 趨 勢． 在 冷 卻 水 流 量 小 于0. 35 m3/ h時，電主軸溫升受冷卻水流量的影響較大，溫度下降速率較快，這是由于隨著冷卻水流量的增加，冷卻水水道表面的散熱系數不斷增加，冷卻水對電主軸的降溫效果比較明顯． 當冷卻水流量大于 0． 35 m3/ h 時，電主軸溫升基本不受冷卻水流量的影響，這是由于過高的冷卻水流速不能有效地帶走定子產生的熱量． 實驗中，電主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之后，電主軸的溫度基本不變． 對比實驗與模擬的結果，得到平均溫差為 0． 25 ℃，誤差為1． 3% ，在允許的誤差范圍之內，實驗與模擬的結果接近一致，模型可靠．
2． 2 溫度場分布
將初始條件、熱源發熱率、散熱系數等邊界條件施加在 COMSOL 軟件中，得到穩態下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后軸承處，溫度為 47. 7 ℃． 這是由于軸承受黏性摩擦力矩和預緊力的影響，產熱較多，且電主軸在后軸承處的結構不利于散熱，熱量在軸承處積累，導致后軸承處溫度最高．
圖 6 170SD30 電主軸溫度場分布
轉軸溫度為 45. 91 ℃，軸承和轉子通過熱傳導的形式將熱量傳遞給轉軸，而轉軸處于電主軸的中心，只能通過油氣潤滑系統帶走少部分熱量，所以轉軸的溫度略高． 定子的溫度為 20. 01 ℃，這是由于定子受冷卻水強制對流換熱的影響，冷卻水流經冷卻水水道，將定子產生的大部分熱量帶走，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面處的溫度為 30. 57 ℃，與實驗溫度相差 0. 4 ℃，電主軸后軸承位置外表面處的溫度為 34. 68 ℃，與實驗溫度相差0. 2 ℃ ，后軸承溫度高于前軸承，這是由于電主軸內部熱源通過熱傳導的形式將熱量傳遞給外殼，且前后軸承的產熱較多，導致電主軸外表面軸承處的溫度較高．
圖 7 為定、轉子間隙處的溫度分布． 由圖7 可得轉子外表面的溫度較高，定子內表面的溫度較低，定、轉子之間存在很大的溫差，這是由于冷卻水對定子的強制對流換熱導致定子處溫度較低． 定、轉子之間存在 0. 3 mm的間隙，轉子只能以自然對流換熱的形式進行散熱，熱量不能及時的散發，導致轉子處溫度較高． 定子到轉子之間的溫度逐漸遞增，充分表現了空氣在定、轉子間隙處的溫度梯度變化過程，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
在電 主 軸 額 定 轉 速 下，分 別 對 轉 速5 000 r / min、10 000 r / min、15 000 r / min、20 000 r / min、25 000 r / min 時的電主軸前軸承、后軸承、轉軸、轉子外表面 4 個位置進行溫度測量，轉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置溫升的影響
從圖 8 中可以看出，4 個位置的溫度隨著主軸轉速的增加不斷上升，后軸承溫升受主軸轉速的影響最大，溫度上升速率最快，前軸承次之，這是由于軸承發熱量直接受主軸轉速的影響，轉速越高，軸承發熱量越大，溫度升高越快． 轉軸和外殼的溫升最小，轉軸處的溫升相對于前后軸承較小，這是由于轉軸不是熱源，它的熱量是通過軸承和轉子以熱傳導的形式傳遞的． 轉子外表面溫升受主軸轉速影響最小，這是由于轉子不與軸承直接接觸，溫度傳遞速率較慢，且轉子受油氣潤滑系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，軸向磨削力的值相對于徑向磨削力較小，一般可不考慮，將兩組徑向磨削力分別加到轉軸端部，研究徑向磨削力對電主軸不同位置溫升的影響，結果見圖 9．
圖 9 徑向磨削力對電主軸不同位置溫升的影響
從圖 9 中可以看出，前軸承溫升受磨削力影響最大，每增加 50 N 的磨削力前軸承溫度升高 0. 3 ℃，后軸承次之． 這是由于主軸端部受力時，前軸承分解的力要大于后軸承，且軸承發熱直接受磨削力影響，磨削力越大，軸承處受到的載荷力矩越大，軸承發熱量越大，溫度升高越快． 轉軸處溫升受磨削力影響不大，轉子外表面受磨削力影響較小，這是由于隨著磨削力的增加，前后軸承發熱量增加，轉軸與軸承直接接觸，熱量傳遞速率較快，轉子相對于轉軸不與軸承直接接觸，且在電主軸運行過程中受壓縮空氣對流換熱的影響，溫升速率較慢．
3、 結 論
(1) 170SD30 電主軸的受力特點是前軸承大于后軸承，但由于后軸承所處位置的結構不利于散熱，導致后軸承溫度反而高于前軸承．
(2) 軸承和轉子處于高溫區，后軸承區域溫度最高; 從轉軸到轉子、到定子、到水套、再到外殼溫度逐漸降低; 由于定、轉子間隙空氣傳熱系數低，致使從轉子到定子的溫度急劇降低．
(3) 隨著轉速和磨削力的增大，電主軸溫度升高; 轉速增加，后軸承的溫升梯度最大; 而磨削力增加，前軸承的溫升梯度最大.
來源：沈陽建筑大學機械工程學院， 沈陽建筑大學交通工程學院，
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