高速電主軸熱態特性的研究

孫興偉，王 聰，王 可，王遠濤

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

目前，隨著電氣傳動技術的迅速發展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。機床主軸由內裝式電動機直接驅動，這種主軸電動機與機床主軸“合二為一”的傳動結構形式，使主軸部件從機床的傳動系統和整體結構中相對獨立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。電主軸易于實現主軸定位，是高速主軸單元中的一種理想結構[1]。

高速電主軸是高速機床的核心部件，也是該類機床的主要熱源。由于轉速和精度要求都比較高，但是轉速高機床就很容易熱變形，與高精度背道而馳。所以就需要電主軸有很好的冷卻系統[2]。所以我們要對其熱態特性進行研究分析，從而達到高精度的要求，熱穩定性問題是高速電主軸最為關鍵的問題之一。

1 高速電主軸結構

高速電主軸的基本結構如圖1所示，它是由主軸，主軸箱體，無外殼電動機，冷卻裝置和軸承等一系列裝置所組成，電動機的轉子用壓配方法與主軸做成一體，主軸由前后端的軸承支撐，電動機的定子通過冷卻套安裝在主軸的殼體中。

圖1 電主軸結構示意圖

2 電主軸的熱源分析

高速電主軸兩個主要的內部熱源是內裝式電機的損耗發熱和軸承的磨損發熱[3]。

2.1 內裝式電機的損耗發熱

本文研究電主軸的額定功率為P=7.5KW，轉速范圍n為3000—12000r/min，根據公式T=9549×P/n,得出電機的扭矩為23.6Nm. 電機的定子和轉子的發熱來源于電機的損耗。主要包括機械損耗、電損耗、磁損耗。電機的損耗功率一般為電機額定功率的20%～25%，因此，該電主軸的損耗功率為1.875KW,其中2/3熱量由定子產生，約為1.2KW,1/3熱量由轉子產生，約為0.625KW。

2.2 軸承的摩擦發熱

根據Palmgren公式，軸承滾動體與滾道間接觸區的摩擦發熱量為Q=Mw,Q為發熱量；M為軸承摩擦總力矩；w為內圈的旋轉速度[4]。

軸承摩擦總力矩M由軸承空轉時潤滑劑粘性產生的摩擦力矩M0和與速度無關的載荷作用下產生的摩擦力矩M1兩部分組成，即

式中：f0為軸承設計和潤滑方式的系數，對于角接觸球軸承，f0=1；u為潤滑劑在運轉溫度下的運動粘度；w為軸承內圈的旋轉速度：9000r/min；dm為軸承的平均直徑,前軸承的平均直徑為65mm,后軸承的平均直徑為75mm；Fs軸承的當量靜載荷,前后軸承分別為21.0KN和31.5KN；Cs為軸承的額定靜載荷,前后軸承分別為25.2KN和36.2KN。

電主軸后端為角接觸球軸承GB/T292—94 B7012C,前端為2個背對背安裝的角接觸球軸承GB/T292—94 B7010C。軸承的部分技術參數見表1。

表1 軸承的部分技術參數

3 電主軸熱態特性的有限元分析

3.1 構建有限元模型

該電主軸模型屬于軸對稱結構，四節點四邊形單元可用于軸對稱結構網格的劃分，而且具有熱傳導的性能，節點自由度為溫度。對電主軸模型進行網格劃分，劃分后的電主軸有限元模型如圖2所示，共有856個單元，1126個節點。

圖2 電主軸有限元模型

3.2 電主軸熱載荷的計算

電主軸的熱載荷主要是電動機和前后軸承的生熱率[5]。生熱率q是指單位體積的發熱量，計算公式如下：

式中：Q是熱源的發熱量；v是熱源的體積。

3.2.1 電動機生熱率的計算

電主軸額定輸出功率Pn=7.5KW,功率損失為1.875KW，并假設損失的功率全部轉化為熱，其中電機定子占2/3,電機轉子占1/3，定子和轉子可視為厚壁圓筒，定子的發熱量為1.2KW，定子的體積為0.0031m3,轉子的發熱量為0.625KW，轉子的體積為0.0015m3，根據公式（2）計算得出定子和轉子的生熱率分別為

3.2.2 軸承生熱率的計算

因為軸承的轉速很高，可以把滾動體看作一個圓環，其截面面積與滾動體面積相等。計算出的前后軸承的生熱率分別是

3.3 電主軸的穩態熱分析

對電主軸進行熱分析時的環境溫度為25度，主軸轉速為9000r/min，表2為電主軸的熱邊界條件，通過有限元軟件將其加載到有限元分析模型上，進行分析求解，即可得到電主軸的溫度場分布如圖3所示。

表2 電主軸的熱邊界條件參數（生熱率單位W/m3，換熱系數單位

表2 電主軸的熱邊界條件參數（生熱率單位W/m3，換熱系數單位

圖3 電主軸穩態溫度場

從電主軸的穩態溫度場可以看出，電機轉子處的溫度最高，這是因為轉子的發熱在鐵心處積累，而且散熱條件不是很好，熱量不能快速的導出，所以溫度比較高。電機定子也發出大量熱量，但是由于散熱條件比較好，所以溫度沒有轉子的高。軸承處的溫度也比較高，這是因為軸承本身發熱，另一方面是受轉子發熱量大的影響。

3.4 電主軸的瞬態熱分析

取電主軸上三點：前軸承一點、轉子處一點和后軸承一點，描繪出時間—溫度曲線，如圖4所示。

從溫升曲線可以看出，前2400s溫度上升比較快，在5000s左右時達到熱平衡狀態。由此可見，如果在機床加工之前，先對加工中心預熱2400s，再進行零件的加工，那么就可以減少由于熱變形引起的加工精度誤差。

圖4 溫度-時間曲線

4 改善電主軸熱態特性的主要措施

為改善電主軸的熱態特性，可采用以下措施：

1）減少發熱。用陶瓷球軸承或非接觸式的軸承，陶瓷球軸承的質量比較輕，在高速回轉時離心力相對小些，從而減小接觸應力，降低摩擦。非接觸式的軸承同樣可以減小摩擦，減小發熱量。

2）增強散熱。加強電機的冷卻，采用合適的潤滑方式，在殼體上多加些散熱排風口，加強其對流循環，達到增強散熱的目的。

5 結論

研究結果表明，電主軸的內裝電機和軸承是其兩大最主要的發熱源，通過對其發熱情況進行分析，得出電主軸的發熱與溫升在很大程度上影響了高速數控機床所能達到的加工精度，對此提出了減小電主軸發熱量的措施。這些對于提高電主軸的產品質量和技術水平，促進我國高速數控機床的發展及高速加工技術的普及應用，有重要的理論意義和實用價值。

[1] 吳玉厚.數控機床電主軸技術單元[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2] 楊貴杰,秦冬冬.高速電主軸的關鍵技術及發展趨勢[J].伺服控制,2010,(2):20-23.

[3] 熊萬理,李芳芳,呂浪.滾動軸承電主軸系統動力學研究綜述[J].制造技術與機床,2010,(3):42-43.

[4] 劉小文,吳玉厚,孫紅.基于ANSYS的全陶瓷電主軸動態分析及振動性能測試[J].機電產品開發與創新,2010,(4):61-63.

[5] 李彥.數控機床高速電主軸技術及應用[J].電器工業,2010,(8):45-46.