高速主軸溫升影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

張麗秀，李超群，李金鵬

(1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽　100168；2.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽　100168)

高速主軸溫升影響因素實(shí)驗(yàn)研究*

張麗秀1,2，李超群1,2，李金鵬1,2

(1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽100168；2.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，沈陽100168)

摘要：溫升是影響電主軸工作性能的一個重要指標(biāo)，為了研究水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)各參數(shù)對高速電主軸溫升的綜合影響，找出最佳工況參數(shù)。采用單一因素實(shí)驗(yàn)法和正交實(shí)驗(yàn)法，利用水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對不同轉(zhuǎn)速下，不同工況對主軸軸承某點(diǎn)溫升的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明，冷卻水流量為0.35m3/h～0.38m3/h，冷卻水溫度為17℃，空氣壓力為0.36MPa～0.39MPa，供油間隔為1min～2min時主軸溫升最小。

關(guān)鍵詞：電主軸；油氣潤滑系統(tǒng)；單一因素實(shí)驗(yàn)法；正交實(shí)驗(yàn)法

0引言

作為高速數(shù)控機(jī)床的核心部件，電主軸的性能極大的影響著機(jī)床的加工精度，其中，溫升穩(wěn)定性是決定電主軸性能最為重要的指標(biāo)之一[1-2]。電主軸溫升主要來源于電機(jī)損耗和軸承摩擦損耗，而電主軸單元的主要冷卻形式是水冷系統(tǒng)對定子的冷卻和油氣潤滑系統(tǒng)對軸承和轉(zhuǎn)子的冷卻。因此，選取合適的冷卻水參數(shù)和油氣潤滑參數(shù)就顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)的各項(xiàng)影響因素的研究做了很多努力。陳文華等運(yùn)用有限元分析軟件對在不同工況、環(huán)境溫度、冷卻水等條件下的螺旋型水套進(jìn)行了分析認(rèn)為適當(dāng)?shù)睦鋮s水流速對主軸電機(jī)的溫升有很好的控制作用[3]。Jeng等測試并比較了不同工況下混合陶瓷球軸承與鋼質(zhì)球軸承油氣潤滑時的溫升情況，考慮了載荷、轉(zhuǎn)速、供油量以及氣體流速等及供油參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對鋼質(zhì)軸承溫升的影響[4-5]。李松生等通過改變供油量、轉(zhuǎn)速、軸向載荷等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明轉(zhuǎn)速和供油量是影響軸承溫升的主要因素[6-7]。

以上研究大都單獨(dú)考慮水冷系統(tǒng)參數(shù)和油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)對電主軸溫升的影響，沒有將兩者的影響綜合考慮。本文以170SD30-SY型電主軸為研究對象，利用自制水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，綜合水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)各參數(shù)對不同轉(zhuǎn)速電主軸溫度場的影響，將單一因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)得出的各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比得出使主軸溫升最小的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在既定電主軸溫升實(shí)驗(yàn)條件下，主軸的溫升控制主要取決于水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)的各項(xiàng)影響參數(shù)。其中，循環(huán)冷卻水流經(jīng)水套，帶走定子損耗產(chǎn)生的部分熱量，因此冷卻水流量和冷卻水流速是水冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對定子溫升控制的重要參數(shù)[8]；壓縮空氣途經(jīng)潤滑油箱攜帶少量潤滑油經(jīng)過軸承和定轉(zhuǎn)子間隙，潤滑油附著在軸承表面對軸承起潤滑作用，同時高速低溫的壓縮空氣帶走部分軸承和轉(zhuǎn)子損耗產(chǎn)生的熱量，所以油氣潤滑系統(tǒng)中的空氣壓力和供油周期也對主軸軸承和轉(zhuǎn)子的溫升控制起著重要作用[9]。圖1為冷卻系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)對電主軸溫升影響分布圖。

1.油氣潤滑系統(tǒng)影響 2.水冷系統(tǒng)影響 3.油氣潤滑系統(tǒng)影響 4.油氣潤滑系統(tǒng)影響

圖1冷卻系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)對電主軸溫升影響分布圖

根據(jù)實(shí)際工況，在一定電機(jī)損耗、冷卻水道、單次供油量及通水通油管徑等條件下，采用單一因素實(shí)驗(yàn)法對不同轉(zhuǎn)速下冷卻水流量、冷卻水溫度、壓縮空氣壓力和供油間隔對電主軸溫升的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并在此基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)法尋求不同轉(zhuǎn)速下的最佳參數(shù)值[10]。表1為實(shí)驗(yàn)參數(shù)及水平，實(shí)驗(yàn)中冷卻水為蒸餾水，水管內(nèi)徑為5mm；潤滑油為20號機(jī)械油，水平油管內(nèi)徑為5mm，單次供油量約為12.33mm3/min。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)及水平

1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)對影響電主軸溫升的冷卻潤滑參數(shù)的分析，搭建電主軸水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)溫升測試平臺，通過改變水冷系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，測試其對電主軸溫升的影響。圖2為電主軸溫升測試實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2　電主軸溫升測試實(shí)驗(yàn)裝置

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制框圖

圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制框圖。工控機(jī)通過變頻器調(diào)控被測電主軸的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速儀將采集的轉(zhuǎn)速信號反饋給工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)二次調(diào)控的作用；在油氣潤滑系統(tǒng)中，空壓機(jī)將空氣壓縮到一定壓力后，再經(jīng)空氣干燥機(jī)將濕潤的壓縮空氣進(jìn)行干燥處理，干燥的空氣經(jīng)過冷壓機(jī)制冷后，將高溫的壓縮空氣溫度調(diào)至18℃；通過壓力控制裝置將壓力調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需值，同時也可通過流量控制閥調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力，高速的壓縮空氣攜帶微量潤滑油噴至軸承表面，壓縮空氣通過定轉(zhuǎn)子間隙從出氣口噴出；水冷系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水通過流量控制閥將冷卻水流量調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需值，同時溫度控制器調(diào)控冷卻水溫度，高速低溫的冷卻水在定子表面的水套中循環(huán)；與此同時，工控機(jī)將接收到潤滑系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的反饋信號，以便進(jìn)行調(diào)控。為了檢測不同參數(shù)對主軸溫度場分布的影響，分別在電主軸前后軸承位置及兩軸承跨距中間位置布置熱電偶，并將實(shí)時監(jiān)控的電主軸表面各測試點(diǎn)溫度反饋給工控機(jī)。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)原理，采用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察冷卻水流量、冷卻水溫度、壓縮空氣壓力和供油間隔對電主軸溫升的影響。由實(shí)驗(yàn)裝置所提供的范圍，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值如表1所示，制定出所如表2所示的16組實(shí)驗(yàn)安排。

表2　L16(45)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1采用單一因素實(shí)驗(yàn)法分析各參數(shù)對主軸溫升的影響

設(shè)置電主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，在冷卻水溫度為17℃，進(jìn)氣壓力為0.36MPa，供油時間間隔為2min時，分別對冷卻水流量q為0.32m3/h、0.35m3/h、0.38m3/h、0.41m3/h時的主軸溫升進(jìn)行測量；在冷卻水流量為0.32m3/h，進(jìn)氣壓力為0.36MPa，供油時間間隔為2min時，分別對冷卻水溫度T水為12℃、15℃、17℃、19℃時的主軸溫升進(jìn)行測量；在冷卻水流量為0.32m3/h，冷卻水溫度為17℃，供油時間間隔為2min時，分別對進(jìn)氣壓力P為0.30MPa、0.33MPa、0.36MPa、0.39MPa時的主軸溫升進(jìn)行測量；在冷卻水流量為0.32m3/h，冷卻水溫度為17℃，進(jìn)氣壓力為0.36MPa時，分別對供油時間間隔t′為1min、2min、3min、4min時的主軸溫升進(jìn)行測量。

圖4　不同參數(shù)對電主軸表面后軸承位置溫度影響

分別對比圖4所示的電主軸表面后軸承位置某點(diǎn)溫升各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，在既定工況下，冷卻水流量小不能有效吸收轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量，流量過大水流速也越大，但高速循環(huán)水流過水套時，也來不及將熱量帶走，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比得冷卻水流量q=0.35m3/h時對主軸溫升最小；根據(jù)熱量計(jì)算公式Q=c·m·(T-T水)，冷卻水溫度越低吸收的熱量越多，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的冷卻水溫度T水=12℃時溫升最小與理論一致；當(dāng)壓縮空氣進(jìn)氣壓力小時，空氣流速也小，軸承產(chǎn)生的熱量不能有效被空氣吸收帶走，當(dāng)進(jìn)氣壓力大時，高壓的空氣會加大軸承內(nèi)部及軸承與主軸間的摩擦，產(chǎn)生更多的熱量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比得進(jìn)氣壓力P=0.36MPa時軸承溫升較小；潤滑油適量的情況下可以較好地形成油膜，保證軸承潤滑，過少時形成油膜的能力會下降導(dǎo)致滾子與套圈間直接的接觸，因此溫度會升高，相反如果潤滑油過多，軸承運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量因?yàn)闈櫥偷陌鼰o法散發(fā)，溫度也會相應(yīng)升高，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比得出的供油時間間隔t′=2min時的電主軸表面后軸承位置某點(diǎn)溫升最低相一致。

2.2采用正交實(shí)驗(yàn)法分析各參數(shù)對主軸溫升影響

按照正交實(shí)驗(yàn)表2中不同參數(shù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min時的第2號、第7號、第9號及第16號實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比及主軸轉(zhuǎn)速為15000r/min時的第4號、第5號、第11號及第14號實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。

從圖5并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)表2可以看出第7組實(shí)驗(yàn)溫度溫升最小，即適合n=10000r/min的工況參數(shù)為冷卻水流量q=0.35m3/h、冷卻水溫度T水=15℃、空氣壓力P=0.39MPa、供油周期t′=1min；第11組實(shí)驗(yàn)溫度溫升最小，即適合n=15000r/min

的工況參數(shù)為冷卻水流量q=0.38m3/h、冷卻水溫度為T水=17℃、空氣壓力P=0.36MPa、供油周期t′=2min。

圖5　不同轉(zhuǎn)速下電主軸表面后軸承位置溫度隨工況變化

3結(jié)論

本文通過單一因素法研究了電主軸系統(tǒng)冷卻水流量、冷卻水溫度、潤滑油供油間隔時間及空氣壓力等四個參數(shù)對電主軸溫度的影響；通過正交實(shí)驗(yàn)法獲得了上述四個參數(shù)使電主軸溫升最低的最優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：①電主軸系統(tǒng)冷卻水流量、冷卻水溫度、潤滑油

供油間隔時間及空氣壓力對電主軸溫度的均有不同程度的影響，電主軸工作時選擇最優(yōu)工況參數(shù)可使溫升降低。②在電主軸的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，保證主軸溫升最小的工況參數(shù)是冷卻水流量為0.35m3/s～0.38m3/h，冷卻水溫度為17℃左右，空氣壓力為0.36MPa～0.39MPa，供油間隔為1min～2min。

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(編輯趙蓉)

The Experimental Research on The Influence Factors of High Speed Spindle Temperature Rise

ZHANG Li-xiu1,2,LI Chao-qun1,2,LI Jin-peng1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China;2.Nationai-Local Jiont Engineering Laboratory of NC Machining Equipment and Technology of High-Grade Stone,Shenyang 110168,China)

Abstract：Temperature rise is an important indicator of the working performance of the motorized spind-le.In order to study the effects of different parameters of water cooling system and oil and gas lubrication system on the temperature rise of high speed motorized spindle,and to find the optimal working conditions of the system.By the Single factor experiment and the orthogonal experiment method,take advantage of the water-cooling system and the oil-lubrication system experimental platform,at different speeds,to analyze the affect on the temperature rise of spindle bearing under different cooling water flow rate,c-ooling water temperature,air pressure and oil supply interval.The experiment results shown that the temperature rise was minimal when the cooling water flow rate was 0.35m3/h～0.38m3/h,the cooling water te-mperature was 17℃,the air pressure was 0.36 MPa ～ 0.39 MPa,the oil supply intervals was 1 min～2 min.

Key words：motorized spindle;the oil-gas cooling lubrication system;the single factor experiment method;the orthogonal experiment method

文章編號：1001-2265(2016)06-0075-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.019

收稿日期：2015-12-03；2015-12-28

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51375317)；遼寧省自然科學(xué)基金(2015020122)；國家(地方)聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金(SJSC-2015-6)

作者簡介：張麗秀(1970—)，女，沈陽人，沈陽建筑大學(xué)教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娭鬏S單元關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)電一體化，(E-mail)851617088@qq.com；通訊作者：李超群(1989—)，女，河南商丘人，沈陽建筑大學(xué)碩士研究生，研究生方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)，(E-mail)734500010@qq.com。

中圖分類號：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A