高速陶瓷电主轴的热态性能分析与优化

发布时间：2017-10-19 22:15

  本文关键词：高速陶瓷电主轴的热态性能分析与优化

  更多相关文章： 陶瓷电主轴 热态性能 温度场 位移场 有限元

【摘要】：高速电主轴是实现高速加工的核心部件,相比传统主轴具有明显的优势,但在运行过程中,由于主轴的不均匀受热,导致主轴前端发生较大的热位移,影响机床的加工精度。因此,为明确热态性能引起主轴前端的热变形程度,对电主轴进行有限元仿真,得出电主轴的温度场与位移场,为解决由于热态性能引起的机床精度降低问题以及为电主轴结构优化设计提供参考。本文的主要研究工作如下:(1)陶瓷电主轴热源发热与对流换热分析。基于陶瓷电主轴结构和传热学理论,分析、计算了电主轴在稳定状态下的热源发热、电主轴与外界的对流换热系数和轴承的接触热导,并对相关理论公式进行了分析。(2)陶瓷电主轴温度场分析。针对电主轴典型工作条件,计算得出有限元分析模型的载荷,通过软件ANSYS计算得到电主轴的稳态和瞬态温度场,结果显示电主轴的最高温升区域在定转子间隙处,轴承内圈、滚子、外圈温升成阶梯上升分布,主轴温度对轴承的温升有影响。(3)陶瓷电主轴位移场分析。为得到更精确的位移解,建立了主轴的子模型,通过边界插值求得子模型的温度场,在此基础上进行热-结构耦合,求解其位移场分布。通过分析发现主轴前端总位移比钢制电主轴总位移要有所减少,在主轴加热过程中,电主轴前端位移无突变。(4)陶瓷电主轴优化。为提高电主轴的加工精度,以前后轴承到加工端距离为设计变量,以加工端热变形为目标函数对电主轴进行优化。
【关键词】：陶瓷电主轴 热态性能 温度场 位移场 有限元
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题的研究背景11-12
• 1.2 高速电主轴的热态性能研究现状12-15
• 1.3 本课题的研究内容与技术路线15-17
• 1.3.1 课题来源15
• 1.3.2 本课题的主要研究内容15-16
• 1.3.3 本课题研究的技术路线16-17
• 第2章 陶瓷电主轴结构与热态性能分析理论基础17-31
• 2.1 高速陶瓷电主轴结构17-24
• 2.1.1 主轴异步电动机17-19
• 2.1.2 陶瓷主轴19
• 2.1.3 主轴轴承19-20
• 2.1.4 电主轴轴承的油-气润滑系统20-22
• 2.1.5 电机定子油-水冷却系统22-24
• 2.2 电主轴热态性能分析理论基础24-30
• 2.2.1 赫兹点接触理论24-25
• 2.2.2 导热微分方程25-26
• 2.2.3 传热问题的定解条件26-27
• 2.2.4 传热问题的有限元法解法27-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 电主轴热态性能分析的理论计算31-49
• 3.1 电主轴热载荷的理论计算32-41
• 3.1.1 电机定子与转子的生热率计算32-34
• 3.1.2 前后滚动轴承发热的计算34-41
• 3.2 电主轴边界条件的理论计算41-46
• 3.2.1 油-气润滑对流换热系数41-42
• 3.2.2 主轴前后端与周围空气的对流换热系数42-43
• 3.2.3 电机定子和冷却油的换热系数43-44
• 3.2.4 电机定转子间空气的换热系数44-45
• 3.2.5.转子端部与周围空气的换热系数45-46
• 3.2.6.主轴静止不动外表面与周围空气对流换热系数46
• 3.3 滚动体与内外圈滚道间的导热46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 电主轴的热态性能分析49-62
• 4.1 高速陶瓷电主轴的温度场分析49-57
• 4.1.1 电主轴有限元模型的建立49-53
• 4.1.2 高速陶瓷电主轴的稳态温度场分析53-55
• 4.1.3 高速陶瓷电主轴的瞬态温度场分析55-57
• 4.2 电主轴热位移场分析57-61
• 4.2.1 电主轴的稳态位移场分析57-60
• 4.2.2 电主轴瞬态位移分析60-61
• 4.3 本章小结61-62
• 第5章 基于热态性能分析的电主轴结构参数优化62-66
• 5.1 设计变量和目标函数的设定62-63
• 5.2 确定设计变量参数范围63-65
• 5.2.1 悬伸量和跨距范围的确定63
• 5.2.2 生热率范围的确定63-65
• 5.3 陶瓷电主轴的优化计算65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士期间承担的科研任务与主要成果72-73
• 致谢73

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