高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析

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1、科技成果·學(xué)術(shù)論文3高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析FEAofThermalPropertiesforHighSpeedMotorizedSpindle廣東工業(yè)大學(xué)黃曉明張伯霖肖曙紅[摘要]分析了高速電主軸中內(nèi)裝式電機的損耗電主軸的熱態(tài)特性成為影響加工精度的一個主要因發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱,研究了油-水熱交換冷卻系素,并直接限制電主軸轉(zhuǎn)速的提高。統(tǒng)和油-氣潤滑系統(tǒng)的散熱特性,在此基礎(chǔ)上建立了1高速電主軸的結(jié)構(gòu)高速電主軸溫度場的有限元分析模型,并用ANSYS有限元軟件進(jìn)行溫度場的計算。最后提出了改進(jìn)高速圖1

2、所示為高速電主軸結(jié)構(gòu)簡圖。該電主軸的主電主軸溫度場分布的主要措施。軸部件由前后兩套角接觸混合陶瓷球軸承支承:前軸關(guān)鍵詞:高速加工電主軸熱態(tài)特性有限元承固定,承受徑向載荷和雙向軸向載荷;后軸承在軸向法ANSYS可以有微量位移,以補償主軸工作時的熱伸長。前后[ABSTRACT]Inthispaper,theheatgeneration軸承均采用定位式預(yù)緊。電機轉(zhuǎn)子用壓配合方法安裝developedfromthebuilt2inmotorandthebearingfric2在主軸上,處于前后軸承之間。電機定

3、子通過冷卻套tionisanalyzedandtheanalysisoftheheatrediationsof安裝在電主軸的殼體中。主軸內(nèi)部安裝有OTT拉刀oil2waterheatexchangecoolingsystemandoil2airlubri2機構(gòu)。主軸后部安裝有測速傳感器。主軸軸承采用油cationsystemarealsodone.Onthisbasis,thefiniteele2-氣潤滑系統(tǒng)進(jìn)行冷卻和潤滑。電機采用油-水熱交mentanalysis(FEA)modelofthehig

4、hspeedmotorized換系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。spindletemperaturefieldisbuiltandthetemperaturefieldiscalculatedbyusingANSYSsoftware.Themainmeasurestoimprovetemperaturefieldofthehighspeedmotorizedspindlearebroughtforward.Keywords:HighspeedmachiningMotorizedspindleThermalpropert

5、iesFEAANSYS高速機床是實現(xiàn)超高速加工的前提和基本條件。高速機床的主軸是由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動的,從而把圖1高速電主軸結(jié)構(gòu)簡圖機床主傳動鏈的長度縮短為零,實現(xiàn)了機床主軸的“零Fig.1Structurediagramofhighspeed〔1〕傳動”。這種由內(nèi)裝式電機和機床主軸“合二為一”motorizedspindle的傳動形式,即采用無外殼電機,將其空心轉(zhuǎn)子直接套2高速電主軸的熱源分析裝在機床的主軸上,帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi),形成內(nèi)裝式電機主軸單元,稱為高速電高速電主軸有兩

6、個主要的內(nèi)部熱源:內(nèi)裝式電機主軸(HighSpeedMotorizedSpindle)。的損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱。高速電主軸是高速機床的核心部件,但也是該類2.1內(nèi)裝式電機的損耗發(fā)熱機床的主要熱源。在高速機床中,電主軸單元各零件電主軸使用的無外殼電機的部分參數(shù)見表1。的剛度和精度都比較高,因切削力引起的加工誤差比電機定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱來源于電機的損耗。電機較小,然而,電主軸中電機的損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱卻是不可避免的,由此引起的熱變形如果處理不當(dāng)表1無外殼電機的部分技術(shù)參數(shù)會嚴(yán)重地降低機床的加工精度

7、。因此,在高速加工中,額定功率額定轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速額定扭矩額定功率損耗-1-1Pn/kWnn/r·minnmax/r·minMn/N·mPVn/kW3科技部“十五”重點攻關(guān)資助項目(No.2001BA203B15),教19.92340180001243.8育部智能制造重點實驗室開放基金項目(No.200215)。202003年第10期科技成果·學(xué)術(shù)論文的損耗一般分為4類:機械損耗、電損耗、磁損耗和附間,被油吸收的熱量可以忽略不計。加損耗。前3類損耗為主要損耗。附加損耗在總的損假設(shè)壓縮空氣從噴嘴沖出時為自由

8、射流,該射流〔2〕耗中所占的比例很小,約為額定功率的1%～5%。卷吸周圍的空氣使流量逐漸增加;其動量沿流動方向假定電機的額定功率損耗(PVn=3.8kW)全部保持不變,為出口動量值。根據(jù)動量不變原理,可計算〔3〕轉(zhuǎn)化為熱量,則其中2/3熱量由定子產(chǎn)生(約2.53出壓縮空氣作用于軸承的實際空氣流量。kW),1/3熱量由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生(約1.27kW)。壓縮空氣向軸承噴射,使軸承有一個附加的軸向2.2軸承的摩擦發(fā)熱氣流。軸向氣流在內(nèi)外圈間流過軸承時的流動面積為高速