高速电主轴热特性与冷却方法研究
发布时间：2023-06-04 00:43
高速电主轴作为高速切削加工装备的核心功能部件,直接决定了高性能机床的加工精度及使用性能。由于高速电主轴高度集成,其内部结构非常紧凑,使轴承及电机很难散热进而导致电主轴产生较大热变形,最终使得机床加工精度及电主轴寿命降低。本文从高速电主轴的发热源入手,通过理论建模及实验得到脂润滑高速角接触球轴承热特性影响规律,采用电主轴对拖的实验方法实际测得了高速电机电磁功耗及轴承摩擦功耗,并通过有限元仿真获得了电主轴温度场分布特点及其影响规律,提出了高速电主轴离心空气冷却方法,优化电主轴温度场。本论文的主要研究内容包括:高速角接触球轴承摩擦生热及传热特性。首先,对高速角接触球轴承的摩擦运动进行理论建模及分析,得到了转速和预紧力对轴承滑动摩擦特性的影响规律并得到了实验验证;然后,采用热阻网络方法对高速轴承热特性进行建模分析和计算,得到了转速及预紧力对轴承热特性的影响规律,并与轴承滑动摩擦特性规律进行了关联,找到轴承发热与滑动摩擦的关系;最后,利用高速电主轴轴承温度实验台对高速电主轴轴承温度进行测量,验证了转速、预紧力及润滑脂类型、用量对轴承温升的影响规律,发现当轴承预紧力为150N左右、润滑脂为SKF ...
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题背景及课题来源
1.1.1 课题背景
1.1.2 课题来源
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高速滚动轴承热特性
1.2.2 高速电主轴热特性
1.3 课题研究目的及主要研究内容
1.3.1 研究目的
1.3.2 主要研究内容
第二章 高速角接触球轴承滚动摩擦及热特性
2.1 轴承摩擦运动特性分析
2.1.1 高速角接触球轴承结构分析
2.1.2 轴承摩擦动力学坐标系建立
2.1.3 球的自转及公转滑动摩擦运动
2.2 轴承内部摩擦力分析与摩擦特性实验
2.2.1 接触面滚动摩擦
2.2.2 接触面滑动摩擦
2.2.3 流体剪切摩擦
2.2.4 轴承摩擦力平衡方程建立及求解
2.2.5 轴承转速和预紧力对轴承滑动摩擦特性的影响规律
2.2.6 轴承滑动摩擦特性的影响规律实验验证
2.3 轴承热阻网络建模及求解
2.3.1 摩擦发热分析与计算
2.3.2 传热热阻分析与计算
2.3.3 热阻网络模型建立
2.3.4 热阻网络平衡方程及其求解
2.4 轴承温度实验及其热影响因素分析
2.4.1 高速轴承温度实验台搭建
2.4.2 转速对轴承温升的影响规律
2.4.3 预紧力对轴承温升的影响规律
2.4.4 润滑脂类型对轴承温升的影响规律
2.4.5 润滑脂用量对轴承温升的影响规律
2.5 本章小结
第三章 高速电主轴电磁功耗与传热特性
3.1 高速电机电磁功耗测量
3.1.1 电磁功耗发热理论分析
3.1.2 电磁功耗测量实验
3.2 高速电主轴传热边界条件分析与计算
3.2.1 接触热传导
3.2.2 表面空气对流传热
3.2.3 电机定转子间隙环流传热
3.2.4 外部强制冷却液体介质对流传热
3.3 电主轴传热特性有限元仿真
3.3.1 有限元传热仿真理论分析
3.3.2 几何模型及材料属性
3.3.3 单元类型及网格划分
3.3.4 传热边界条件设置
3.3.5 热载荷施加
3.3.6 电主轴温度场分布
3.3.7 轴承发热对电主轴温度场的影响
3.3.8 高速电机发热对电主轴温度场的影响
3.3.9 轴承及高速电机发热对电主轴温度场的影响
3.3.10 强制冷却液体介质对电主轴温度场的影响
3.4 高速电主轴温度试验及其热影响因素分析
3.4.1 电主轴内部温度实验原理及装置
3.4.2 转速对电主轴温升的影响规律
3.4.3 预紧力对电主轴温升的影响规律
3.4.4 冷却水流量对电主轴温升的影响规律
3.4.5 冷却水入口温度对电主轴温升的影响规律
3.5 本章小结
第四章 高速电主轴转子离心空气冷却效应分析
4.1 主轴转子辅助叶轮
4.1.1 辅助叶轮结构
4.1.2 离心空气冷却原理
4.2 主轴转子离心空气流体仿真
4.2.1 离心空气流体仿真理论分析
4.2.2 流体模型及介质属性
4.2.3 网格划分及网格无关性分析
4.2.4 边界条件及求解模型
4.2.5 流场分布及其压强速度特性分析
4.3 主轴转子中心孔传热特性分析
4.3.1 中心孔壁面传热系数分布特性
4.3.2 主轴转速对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.3 径向离心孔直径对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.4 径向离心孔布置数量对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.5 主轴中心孔直径对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.6 主轴转子中心孔传热特性优化方法
4.4 主轴转子离心冷却空气对电主轴温度分布的影响
4.4.1 带辅助叶轮电主轴热特性有限元仿真分析
4.4.2 带辅助叶轮电主轴温度场分布
4.4.3 离心空气的冷却作用实验对比验证
4.5 本章小结
第五章 全文总结与展望
5.1 全文工作总结
5.2 主要创新点
5.3 后续工作展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间的学术成果
本文编号：3830353
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题背景及课题来源
1.1.1 课题背景
1.1.2 课题来源
1.2 国内外研究现状
1.2.1 高速滚动轴承热特性
1.2.2 高速电主轴热特性
1.3 课题研究目的及主要研究内容
1.3.1 研究目的
1.3.2 主要研究内容
第二章 高速角接触球轴承滚动摩擦及热特性
2.1 轴承摩擦运动特性分析
2.1.1 高速角接触球轴承结构分析
2.1.2 轴承摩擦动力学坐标系建立
2.1.3 球的自转及公转滑动摩擦运动
2.2 轴承内部摩擦力分析与摩擦特性实验
2.2.1 接触面滚动摩擦
2.2.2 接触面滑动摩擦
2.2.3 流体剪切摩擦
2.2.4 轴承摩擦力平衡方程建立及求解
2.2.5 轴承转速和预紧力对轴承滑动摩擦特性的影响规律
2.2.6 轴承滑动摩擦特性的影响规律实验验证
2.3 轴承热阻网络建模及求解
2.3.1 摩擦发热分析与计算
2.3.2 传热热阻分析与计算
2.3.3 热阻网络模型建立
2.3.4 热阻网络平衡方程及其求解
2.4 轴承温度实验及其热影响因素分析
2.4.1 高速轴承温度实验台搭建
2.4.2 转速对轴承温升的影响规律
2.4.3 预紧力对轴承温升的影响规律
2.4.4 润滑脂类型对轴承温升的影响规律
2.4.5 润滑脂用量对轴承温升的影响规律
2.5 本章小结
第三章 高速电主轴电磁功耗与传热特性
3.1 高速电机电磁功耗测量
3.1.1 电磁功耗发热理论分析
3.1.2 电磁功耗测量实验
3.2 高速电主轴传热边界条件分析与计算
3.2.1 接触热传导
3.2.2 表面空气对流传热
3.2.3 电机定转子间隙环流传热
3.2.4 外部强制冷却液体介质对流传热
3.3 电主轴传热特性有限元仿真
3.3.1 有限元传热仿真理论分析
3.3.2 几何模型及材料属性
3.3.3 单元类型及网格划分
3.3.4 传热边界条件设置
3.3.5 热载荷施加
3.3.6 电主轴温度场分布
3.3.7 轴承发热对电主轴温度场的影响
3.3.8 高速电机发热对电主轴温度场的影响
3.3.9 轴承及高速电机发热对电主轴温度场的影响
3.3.10 强制冷却液体介质对电主轴温度场的影响
3.4 高速电主轴温度试验及其热影响因素分析
3.4.1 电主轴内部温度实验原理及装置
3.4.2 转速对电主轴温升的影响规律
3.4.3 预紧力对电主轴温升的影响规律
3.4.4 冷却水流量对电主轴温升的影响规律
3.4.5 冷却水入口温度对电主轴温升的影响规律
3.5 本章小结
第四章 高速电主轴转子离心空气冷却效应分析
4.1 主轴转子辅助叶轮
4.1.1 辅助叶轮结构
4.1.2 离心空气冷却原理
4.2 主轴转子离心空气流体仿真
4.2.1 离心空气流体仿真理论分析
4.2.2 流体模型及介质属性
4.2.3 网格划分及网格无关性分析
4.2.4 边界条件及求解模型
4.2.5 流场分布及其压强速度特性分析
4.3 主轴转子中心孔传热特性分析
4.3.1 中心孔壁面传热系数分布特性
4.3.2 主轴转速对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.3 径向离心孔直径对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.4 径向离心孔布置数量对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.5 主轴中心孔直径对中心孔壁面传热系数的影响规律
4.3.6 主轴转子中心孔传热特性优化方法
4.4 主轴转子离心冷却空气对电主轴温度分布的影响
4.4.1 带辅助叶轮电主轴热特性有限元仿真分析
4.4.2 带辅助叶轮电主轴温度场分布
4.4.3 离心空气的冷却作用实验对比验证
4.5 本章小结
第五章 全文总结与展望
5.1 全文工作总结
5.2 主要创新点
5.3 后续工作展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间的学术成果
本文编号：3830353
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiagonggongyi/3830353.html
