车铣复合加工中心电主轴系统的温度场分析*

2012-11-24由东旭高英贤

组合机床与自动化加工技术 2012年10期

孙娜，由东旭，高英贤，王荟

(大连机床集团技术中心，辽宁大连 116620）

0 引言

电主轴系统是车铣复合加工中心的核心功能部件，因电机和轴承的生热不可避免，随着转速升高，主轴系统温度不断上升。由此引起的热变形是影响机床加工稳定性的重要因素［1］。本文采用有限元方法建立电主轴系统合理模型，通过把计算得到的生热和传热参数以边界条件形式施加到有限元模型上，计算得到主轴系统温度场分布，并进行分析。

1 电主轴系统生热和散热分析

电主轴内部传热是个复杂的生热和散热过程，影响因素较多。电主轴两个主要的热源为内装式电动机的发热和轴承的摩擦发热［2］。电主轴产生的部分热量通过与冷却系统进行对流传热被带走，还有部分热量传到主轴和轴承上，导致主轴和轴承温度升高变形，影响机床加工精度。电主轴系统的传热主要可分为三类:电机和轴承的生成热量向主轴和主轴箱体的传热;主轴冷却系统对主轴部件的对流换热;空气与主轴部件的对流换热，如图1所示。

图1 电主轴系统的传热过程图

1.1 电动机生热

研究发现电动机有近1/3的热量是由电动机转子产生，并且转子产生的部分热量通过定子与转子的气隙传入定子中，部分热量直接传到主轴和轴承上。其余2/3的热量由定子产生。假定电动机的额定功率损耗全部转化为热量。定子和转子各自简化为厚壁圆筒，通过公式(1）计算得到定子和转子的生热率:

式中:Q——热源发热量;

1.2 轴承生热

滚动轴承的发热主要是由于轴承的摩擦力矩引起的，Palmgren通过实验研究给出了摩擦力矩的计算公式，并认为在中等载荷和中等转速条件下，摩擦力矩主要由空载时润滑油粘性产生的摩擦力矩Mo和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩Mf两部分组成。轴承产生的热量通过公式(2）计算得到:

式中:n——主轴工作转速，r/min;

M——轴承摩擦力矩［3］，kN·m;

式中:fo——轴承设计和润滑方式的系数，对于角接触球轴承脂润滑方式，fo=2;

w—— 轴承内圈旋转速度，rad/s;

μ——运转温度下润滑剂的运动粘度，mm2/s;

f1——与轴承类型和所受负荷有关的系数，对于角接触轴承，f1=0.001;

FS——轴承当量静载荷，N;

CS——轴承额定静载荷，N;

Fβ——决定轴承摩擦力矩的计算载荷，按公式计算(若得Fβ小于Fr，则取Fβ=Fr）

Fr——径向载荷，N;

Fa——轴向载荷，N;

dm——轴承中径，m。

1.3 电机定子与冷却油之间的对流换热

电机定子与冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热。冷却油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以展开成截面为矩形的等效油管。冷却油在管内的不同流态具有不同的换热规律，所用的换热系数计算公式也不同，因此必须先通过计算雷诺数Re来判别流态，然后再进行相应的计算［4］。Re是一个无量纲，计算公式如(5）:

式中:u——流体的特征速度，m/s;

v——流体的运动粘度，m2/s;

式中:A——冷却槽截面积，m2;

U ——湿周，m。

工程计算通常以临界雷诺数Rec=2200区分层流和紊流。对流体被加热的情况采用努谢尔特数计算:

式中:Prf——普朗多数，反映物体的流性。

表达式:

式中:cp——流体比热;

p ——流体密度，kg/m3;

氧化法除硫主要是利用氧化剂的氧化能力差异将水中还原性的硫化物氧化成单质硫沉淀和可溶性的硫代硫酸盐、硫酸盐等，单质硫可通过精细过滤装置去除。油田常用的氧化剂有 O2、H 2 O2、KMn O4、Cl2、ClO2、NaClO、Ca(ClO)2 等，本研究选取 H 2 O2、NaCl O和Cl O2 3种氧化剂，通过实验评价筛选适合该水质的除硫剂，实验结果如图5所示。

v——流体的运动粘度，m2/s;

λ——流体的导热系数。

最后可以通过公式(9）计算得到定子与冷却油间

的换热系数: