高速機床電主軸散熱情況研究

姜楠 林青

摘 要：高速電主軸在內、外熱源的作用下，其各部分的溫度有差異，而熱量總是從高溫向低溫處傳遞，三種基本的傳熱方式在電主軸中都存在。定子產生的熱量大部分通過對流由冷卻水或油帶走，而少部分通過對流和輻射傳遞給定子周圍的空氣：轉子產生的熱量一部分通過導熱直接傳遞給主軸和軸承，而另一部分通過對流和輻射傳遞給定子。

關鍵詞：高速機床；電主軸；散熱

1.主軸軸承的油一氣潤滑系統

滾動軸承的滾動體與滾道的接觸面由于摩擦而發熱，但是又因為導熱且與周圍介質對流和熱輻射而冷卻，經過多次反復的發熱和冷卻循環最終處于熱平衡狀態。軸承的主要傳熱途徑為對流換熱以及滾動體與內外圈的熱傳導。

軸承的潤滑主要是為了降低摩擦力和減小磨損，同時也有冷卻作用，可保證軸承的正常運轉，合理的潤滑對提高軸承的性能、延長軸承的壽命有重要的意義。本文所研究的主軸軸承采用的是油-氣潤滑系統來解決高速主軸中陶瓷軸承的潤滑和冷卻問題。油氣潤滑的系統的工作原理如1.1圖所示。

圖1.1油氣潤滑系統示意圖

油-氣潤滑系統是利用具有一定壓力的壓縮空氣和定量輸出的微量潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內壁不斷地流動，把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴，經過噴嘴射向軸承內圈和滾動體的接觸點實現潤滑和冷卻。油-氣潤滑向大氣排放的僅是空氣因此對環境沒有污染。油氣潤滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比油霧潤滑時要低得多。試驗證明：使用油-氣潤滑的軸承溫升可比使用油霧脂潤滑時降低9～16°C，并且隨著轉速的提高，效果將更加明顯。

油-氣潤滑是新型少油潤滑，雖然所需設備復雜，成本很高，但這些潤滑方式能對每個軸承分別進行精確潤滑，潤滑油利用率極高，軸承發熱量小，無環境污染。實驗證明：增大空氣的流量可以在一定程度上提高冷卻的效果，而提高油氣的壓力不僅可以提高冷卻的效果，而且還有利于潤滑油到達潤滑區域，因此提高油氣壓力有利于提高軸承的轉速，加大壓力比常規壓力進行油氣潤滑可以使軸承轉速提高約20%。

接觸區的熱阻大小由接觸區的形狀和尺寸決定，也就是與軸承的幾何尺寸以及軸承的內接觸力有關。對于混合邊界條件下半空間的熱阻為：

式中為一半空間的導熱系數，a和b分別為接觸橢圓面長短半軸。對于滾動軸承知道外圈的接觸熱阻，則可以求得所有滾動體到外圈的總熱阻。同樣也可以確定滾動體與內圈的熱阻。

2.電機定子油.水熱交換冷卻系統

高速電主軸通常采用油.水熱交換的系統，系統的結構圖一般如圖2.1所示。

油泵連續輸出大流量的冷卻油，通過電機定子冷卻套的螺旋槽與電機定子產生熱交換，再經過輸出回路與水進行熱交換，使油冷卻后流回油池，實現循環冷卻，根據電主軸的具體要求可以對電主軸的入口溫度進行必要的設置。

電機定予和冷卻油之間的換熱屬于管內流體強迫換熱，冷卻油的不同運動狀態具有不同的換熱規律，計算換熱系數的公式也不同，要先計算出雷諾數以判別冷卻油的運動狀態，然后選用合適的計算公式。

圖2.1電主軸油水交換冷卻系統結構圖

雷諾數是一個無量綱的量，被用于判斷流體層流和紊流，定義為：

式中：

D為幾何特征的定型尺寸，m；u為流體的特征速度，一般取平面的平均速度，且多通過測定流量的方法加以確定，單位為m/s：v為流體的運動粘度，m2/s；f 為下標，表示以流體的平均溫度為定性溫度（多為截面上流體的平均溫度），以管徑D為定型尺寸。工程計算時通常以臨界雷諾數 =2300區分層流和紊流。雷諾數大于10000后為旺盛紊流區，而一般認為2300

對于管內強制對流換熱，實際上使用最廣泛的關系式為迪圖斯一貝爾特公式：

在上面公式的使用過程中，當用于加熱流體時取n=0.4，當用于冷卻流體時取n=0.3。該公式適用于流體與壁面有中等以下溫度差的場合，對于氣體一般不超過50°C。當壁面和流體間的溫差不大時，對流體被加熱的情況通常采用的計算式

來確定，式中 為努謝爾特數， 為普朗多準數，

上面公式在條件為 >10000，0.760的情況下是適用的，對于水溫度差不超過20～30℃。

對于溫差超過以上推薦幅度的情形，需要對上面的公式進行必要的修正或采用其它形式的公式，其中效果最好的是格尼林斯基公式如下：

式中，l為管長，f為管內湍流流動的達爾西阻力系數，可以按照弗羅年柯公式計算，

，對于液體

當用于液體情況時，可以進一步對上式進行簡化為：

經過試驗驗證，上面公式的適用范圍為：

的情況下。

普朗多準數能夠反映流體的特性，其表達為 ，其中Cp為流體的比熱，

單位為J/（kg·℃）；p為流體密度，單位為kg/m3；λ為流體的導熱系數，單位為W/m·℃；流體與管壁發生強迫對流換熱時，若管子的內徑和溫差均較小，同時流體又有較大的粘性，則容易出現嚴格的層流，此時對流換熱熱阻較大，換熱系數遠比紊流時小。

知道努謝爾系數就可以求出管內流體的強迫對流換熱系數 。對于非圓形截面槽內的湍流換熱計算，作為工程處理的一種方法，可以用當量直徑也作為特征尺寸，從而應用上面的公式進行計算。當量直徑按下式計算：

式中A。為槽道的流動截面積，m2； P為潤濕周長，即槽道壁與流體接觸面積的長度。應當指出的是對于長方形截面類通道，采用當量直徑特征作特征長度的方法可以取得滿意的結果；但是當截面上出現尖角的流動區域時，應用當量直徑方法會導致很大的誤差，需要采用其它方法。

當冷卻油在定子冷卻套的螺旋矩形槽中流動時。螺旋矩形槽的形狀可以展開成截面為矩形的等效油管，這樣就可以計算出冷卻油對定子冷卻套的對流換熱系數。

3.電機定子、轉子的傳熱

轉子由芯部產生熱量，一部分通過輻射和氣隙傳遞給定子，一部分傳遞給主軸和軸承，還有部分通過端部傳入周圍空氣。本文所設計的主軸電機沒有對電機進行軸向氣流冷卻，可以計算的雷諾系數，并判斷流動狀態。當氣隙有紊流的運動狀態時，可以計算

。

定子和轉子之間間隙很小，鐵芯的長度相等，可以認為定子內表面與轉子外表面的面積相等，輻射換熱量可以計算。轉予的端部傳熱問題主要是與空氣的對流換熱和輻射換熱。

4.電主軸與周圍空氣的傳熱

工作中高速主軸電機表面是熱的，所以在較大溫差的作用下發生自由對流換熱，同時還有輻射換熱。這種對流換熱和輻射換熱同時發生的過程成為復合傳熱，可以根據

試驗結果選取。

為了減發熱對主軸性能的影響，特別是對主軸軸承性能的影響，在結構設計的過程中在主軸電機轉子與軸承之間安裝了冷卻環，其結構如

圖4.1中的涂黑部分，可以有效地減小由于電機發熱對主軸軸承的影響，提高軸承的使用壽命。

圖4.1安裝在轉子上的冷卻環結構示意圖

參考文獻

[1] 楊世銘，陶文銼.傳熱學[M]，北京：高等教育出版社，1998：162—170.