高速電主軸單元的熱態(tài)特性分析

魏效玲，時玉冰，李勇，劉夢晗，王劍鋒

(河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲056038)

為了實現(xiàn)高速運轉，獲得更高的生產(chǎn)率，電主軸技術應運而生。電主軸由內(nèi)置式電動機直接驅動，省略了齒輪和皮帶這種傳統(tǒng)的動力傳動裝置。然而電主軸內(nèi)置式電動機相當于增加了熱源，電主軸高速運轉時，電動機產(chǎn)生的熱量主要是定子繞組的銅損耗和轉子繞組的鐵損耗造成的，產(chǎn)生的熱量大部分由轉子與定子之間的氣隙傳入定子。此外，對于高速旋轉的轉子，主軸殼體內(nèi)部的空氣也會產(chǎn)生熱量。熱量主要通過主軸及其殼體向外輻射，除了電機所產(chǎn)生的熱量外，主軸軸承產(chǎn)生的熱量也不容忽視。大量的熱量聚集到軸承，降低了軸承的使用壽命，也會使主軸變形，最終降低其加工精度。

隨著主軸轉速的增加，由于各種摩擦因素產(chǎn)生了大量的熱，而各種摩擦日趨嚴重，熱量積累也越多。隨著電主軸溫度上升，需要的軸承預緊力也相應增大，同時軸承也將生成更多的熱量?？紤]到熱輻射和熱傳遞，主軸軸承必須合理地潤滑與冷卻，否則，它不能保證電主軸的高速運轉。因此對高速電主軸的熱態(tài)特性分析就變得尤為重要了。

1 電主軸系統(tǒng)的結構

本文所設計電主軸系統(tǒng)結構如圖1所示，內(nèi)置式電機置于前后軸承之間，電機轉子采用過盈配合的方法安裝在主軸上。為了滿足電主軸高速、高剛度、低溫升等設計性能要求，采用角接觸混合陶瓷球軸承支承，即滾球材料用的Si3N4陶瓷，而軸承的內(nèi)、外圈仍用鋼制材料。前后兩組軸承整體上為背對背安裝，前軸承采用定位預緊固定;后軸承采用彈簧定壓預緊，其軸向可以有微量的移動，以補償主軸工作時的熱伸長。定子和冷卻套作為一體安裝在主軸單元的殼體中，電機采用油—水熱交換系統(tǒng)進行冷卻。

2 電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量

由于該模型是軸對稱結構，因此只需對該模型的一半橫截面進行建模。對系統(tǒng)的元素、材料特性、負載進行選擇，建立有限元模型。高速電主軸系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。電主軸單元產(chǎn)生的熱量包括電機產(chǎn)生的熱量和軸承摩擦產(chǎn)生的熱量。

電機產(chǎn)生的熱量通過功率損耗計算。其中，定子產(chǎn)生的熱量等于功率損耗的2/3，而轉子產(chǎn)生的熱量等于剩余的1/3。角接觸球軸承由于兩種類型的摩擦力產(chǎn)生大量的熱，同時由于潤滑粘度而產(chǎn)生摩擦力矩。其產(chǎn)生的熱量為HF=M·ω。

軸承運轉過程中產(chǎn)生的熱量為Hs=?roll·其 中?roll=?·σ。表1中給出了主軸單元各部分產(chǎn)生的熱量。

表1主軸單元各部分產(chǎn)生的熱量Tab.1 Details for finding spin moment

3 電主軸系統(tǒng)的熱對流

熱對流是物體表面與周圍接觸的流體之間由于溫差存在而產(chǎn)生的熱量交換。其中，有以下幾點。

角接觸混合陶瓷球軸承中滾珠與潤滑劑間的熱對流(hb)

電機轉子與空氣間的熱對流(hr)

冷卻劑與空氣間的熱對流(hc)

電主軸的溫度分布和熱性能分析如圖3和圖4所示。

表2中顯示了主軸系統(tǒng)各部分的熱對流。

表2主軸系統(tǒng)的熱對流Tab.2 Convection in spindle parts

4 電主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性分析

從以上熱態(tài)性能中可以分析得出熱感應預載荷，并計算得出相應的強度和臨界速度。每一種模式的臨界速度都不一樣，因為預載荷是由時間來決定的。因此，時間增加了，固有頻率也會隨之增加，熱感應預載荷就會對臨界速度的提升有積極作用，即在軸承不產(chǎn)生故障的情況下，獲得更高的速度。這對增加工作時間似乎是一種好的效果，但是，經(jīng)過長時間的運行，過多的熱感應預載荷會使材料引起熱偏移，使軸承產(chǎn)生故障。因此，軸承的制作材料必須有更好的熱穩(wěn)定性，以便承受更高的溫度。

臨界速度可以通過分析得到的坎貝爾圖表來計算得到，這些計算結果的條件是在10 000 r/min和5 000 s范圍內(nèi)。瞬態(tài)熱態(tài)特性分析用來計算溫度、徑向和軸向偏差，以及熱感應預載荷。從圖5中可以看出，顯示穩(wěn)定狀態(tài)已經(jīng)達到6.5h。主軸端部的徑向和軸向偏差如圖6、圖7、圖8、圖9所示，從圖可知電主軸的熱變形情況。

5 結論

1)為了獲得更多的預載荷，應該考慮熱感應預載荷的影響。

2)由熱感應預載荷和防松螺母提供的預載荷，也用來提高臨界速度，以便有更大范圍的運行速度。已計算出熱感應預載荷和與之相對應的固有頻率，也就是提高了臨界速度，以致在不同時間，當達到10 000 r/min時，電主軸有更大范圍的運行速。

3)通過確定電主軸系統(tǒng)的溫度分布、主軸端部的徑向和軸向偏移，掌握其熱變形，從而可以采取更有效、針對性的冷卻和補償措施，提高電主軸加工過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

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