高速电主轴非线性热态特性及实验研究

发布时间：2020-11-11 03:19

　　 随着数控机床的飞速发展,对机床主轴的转速与加工精度的要求也在不断提高。高速电主轴的热膨胀变形是造成机床热误差的主要原因,所以合理控制电主轴温度场,减小主轴的热变形,对电主轴的非线性热态特性的研究尤为重要。本文主要对电主轴非线性热态特性进行理论分析,建立电主轴热模型,利用有限元软件对电主轴非线性热态特性进行仿真分析,搭建电主轴综合性能测试平台对电主轴非线性热态特性进行试验测试。主要工作如下:(1)提出接触热阻对电主轴非线性热态特性存在影响,并分析了影响电主轴内部接触热阻大小的相关因素。推导出电主轴内部接触热阻的理论计算公式,并给出一些常用材料的接触热阻值。(2)分析电主轴的热源组成,对高速电主轴系统的发热量进行计算。研究了电主轴系统的传热方式,并对电主轴内部各处对流换热系数进行计算。(3)以100MD60Y4电主轴为对象,采用Comosol有限元软件,建立电主轴热-结构耦合模型。在多组转速下分析电主轴的温度场和热变形。在主轴16000r/min转速下,研究结合面接触热阻影响因素中粗糙度和接触压力对电主轴热态特性的影响。分析电主轴热态条件下电主轴内部接触面的接触热阻变化规律及摩擦界面的能量传递规律。(4)搭建电主轴综合性能测试平台。在一定工况条件下,考虑冷却水温度、冷却水流速、接触热阻,及油气润滑等因素,对高速电主轴非线性热态特性进行试验研究。分析电主轴内部轴承与主轴、轴承与轴承座、转子与主轴之间接触热阻对电主轴温度场和热变形的影响。研究主轴热扩散和热变形规律,从而获得电主轴时变非线性特征。分别对考虑接触热阻和不考虑接触热阻两种条件下电主轴的热态特性进行分析,并与实验结果作对比。结果表明:(1)本文建立的有限元模型能够准确的预测电主轴热态特性,其中考虑接触热阻电主轴仿真的最高温度比不考虑接触热阻时高1.9℃,在x、y、z三个方向的热变形量也分别提高了 4.31%、7.92%和 5.6%。(2)通过仿真计算得出接触热阻影响因素对结合面温度的影响效果。当接触面压力增大时,电主轴温度出现下降趋势,其中轴承内圈受到影响较小,轴承外圈与转子温度下降较大。随着电主轴内部结合面粗糙度增大,电主轴内部温度升高,其中轴承内圈和外圈温度变化较小,而转子温度升高较大。
【学位单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG659
【部分图文】：

图２．１电土轴结构＿??Ｆｉｇ．２．１?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｓｐｉｎｄｌｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??２．１．１高速电主轴电机??丨：轴电机从结构上看１：要分为定子和转子两部分。其中定子毡括定子铁芯、定ｆ绕组，??？、、Ｍ

?１§５?Ｂ??图２．１电土轴结构＿??Ｆｉｇ．２．１?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｓｐｉｎｄｌｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??２．１．１高速电主轴电机??丨：轴电机从结构上看１：要分为定子和转子两部分。其中定子毡括定子铁芯、定ｆ绕组，??转，？包括转轴、转子铁心、转子绕组及风扇等Ｍ。由十电丨￡轴内部结构较为特殊，它将丨：??轴设计祚电机内部，因此能够把电主轴看做？？台高速电机。从原理丨：分，电丨：轴主要分为??步型电．轴和同步型电七轴两种１３５】。??好步型电Ｋ轴的》本结构相对来说简单，在制造．Ｉ：艺方Ｉｆｌ丨较为成熟，而丨Ｌ异步电机的??咖动系统也容易达到商速化。ｍ是异步电机也会出现电机转子发热人，作低转速下条件下??电机俗拒４挪好，转丫？容场受到温升的影响等…系列怙况。洞步沏电动机优点足屯机转??ｍ发热，能够从根本上除去丨？：轴轴向的热膨胀变形和轴承散热等ｈ题。ｗ此多数电：丨??轴采川异步电机。??

２．２高速电主轴热接触理论分析??２．２．１接触热阻定义??如图２．６所小，按传热学分析，两完全接触面处的温度应该完全相Ｍ，但是将两个相??似或不相似的金属材料压在一起，由于材料的接触表面存在粗糙度，所以两金属材料接触??面不可能完个接触，热景的均匀流动被限制在通过接触点传导，因此凸出接触地方用热传??导的方式传热，而个接触地方只能用对流和热辐射的方式传热，接触点的有限数量和大小??导致实际接触ｊｆｉ丨枳比表观接触面积小得多，从而使热流收缩形成接触热阻１４４１。??图２．６两种材料接触面微观图??Ｆｉｇ．２．６?Ｍａｇｎｉｔｌｅｄ?ｖｉｅｗ?ｏｆ?ｔｗｏ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ?ｉｎ?ｃｏｎｔａｃｔ．??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 马驰;杨军;赵亮;梅雪松;施虎;王新孟;;高速主轴系统热特性分析与实验[J];浙江大学学报(工学版);2015年11期

2 张丽秀;刘腾;李超群;;冷却水流速对电主轴电机温升的影响分析[J];组合机床与自动化加工技术;2015年08期

3 魏效玲;张宝刚;陈华;尉鹤缤;;高速电主轴冷却润滑系统的研究[J];煤矿机械;2015年03期

4 张珂;陈楠;张丽秀;吴玉厚;;冷却水道宽度对陶瓷电主轴温升的影响研究[J];机械设计与制造;2015年03期

5 项四通;杨建国;张毅;;基于机理分析和热特性基本单元试验的机床主轴热误差建模[J];机械工程学报;2014年11期

6 芮执元;陈涛;雷春丽;周寅成;;基于CFX的高速电主轴水冷系统的仿真分析[J];机床与液压;2014年07期

7 王跃飞;孙启国;吕洪波;;滚动轴承油气润滑及喷油润滑温度场对比研究[J];润滑与密封;2014年02期

8 杨建国;范开国;;数控机床主轴热变形伪滞后研究及主轴热漂移在机实时补偿[J];机械工程学报;2013年23期

9 刘牧;袁建新;;电子设备舱设备架压力损失计算分析[J];科技信息;2013年14期

10 阎树田;许庆鹏;张树锟;;高速电主轴冷却系统设计与研究[J];机械与电子;2012年03期

本文编号：2878670