冷卻系統(tǒng)流量對主軸溫度的影響研究*

劉 蕾,王 婷,何圳濤*,耿繼青,2

(1.珠海格力電器股份有限公司,廣東 珠海 519000;2.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點實驗室,廣東 珠海 519000)

0 引 言

在高速、高精密加工領(lǐng)域,電主軸已成為不可或缺的重要組成部分。

在電主軸的運轉(zhuǎn)過程中,電機的損耗發(fā)熱和軸承的摩擦生熱是無法避免的,它們所引起的主軸熱變形會直接影響機床加工精度[1]。因此,了解電主軸整體的傳熱機制,并合理設(shè)計冷卻系統(tǒng),對主軸設(shè)計十分關(guān)鍵。

國內(nèi)外學者就電主軸的冷卻問題已做了大量研究。BOSSMANNS B等人[2]采用有限差分法建立了電主軸的溫度場模型,并用該模型對電主軸運轉(zhuǎn)過程中的內(nèi)部溫度分布進行了分析。MIZUTA K[3]和UHLMANN E等人[4]建立了電主軸的三維模型,對電主軸內(nèi)部的熱源和傳熱機制進行了有限元分析。崔向昆[5]研究了電主軸冷卻水流量、冷卻水溫度及壓縮空氣進氣壓力3個參數(shù)對電主軸冷卻效果的影響機制,并根據(jù)研究結(jié)果得到了電主軸最佳冷卻效果下的參數(shù)組合。BOGLIETTI A等人[6]通過仿真分析與試驗相結(jié)合的方法,研究了冷卻水流速對主軸溫升的影響。MANSINGH B B等人[7]對不同形式的冷卻結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值分析,并研究了主軸溫度場的分布狀況,得出了循環(huán)冷卻系統(tǒng)對主軸降溫效果最好的結(jié)論。張麗秀等人[8,9]建立了電主軸的溫升預(yù)測模型,在考慮不同參數(shù)對電主軸溫升影響的基礎(chǔ)上,對空載下的電主軸溫度場進行了精確預(yù)測。胡秋等人[10]對空載最高轉(zhuǎn)速下的電主軸進行了熱耦合分析,并根據(jù)分析結(jié)果對電主軸的冷卻結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。芮執(zhí)元等人[11]采用正交實驗的方法,研究了不同轉(zhuǎn)速下冷卻液流速對主軸溫升的影響,為精準控制主軸溫度提供了數(shù)值依據(jù)。

以上有關(guān)電主軸冷卻液流量—溫升的研究大部分僅考慮主軸不同轉(zhuǎn)速的工況,未同時考慮主軸轉(zhuǎn)速、負載及扭矩相互組合后對其溫升的影響。

為此,筆者以某型電主軸為研究對象,以3種典型的主軸運轉(zhuǎn)工況為例,分別計算3種工況下各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量;同時,建立主軸溫度場仿真模型,結(jié)合實驗驗證仿真模型的可信度;最后,計算得到常用工況下最佳流量、惡劣工況下最低流量,為主軸冷卻流量計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 不同工況下主軸部件發(fā)熱量

在不同的工況下,主軸的各關(guān)鍵部件,如前軸承、后軸承及電機定子、轉(zhuǎn)子、繞組等部位的發(fā)熱量存在較大的差異:

(1)切削工況下,由于主軸轉(zhuǎn)速較低,扭矩大小一般,各關(guān)鍵部件發(fā)熱量均不大;

(2)空載最高轉(zhuǎn)速工況下,軸承部位以及電機部位的定/轉(zhuǎn)子發(fā)熱較為明顯;電機部位的繞組因空載電流較小,發(fā)熱相對較小;

(3)負載最大扭矩工況下,主軸轉(zhuǎn)速較低,軸承與電機部位的定/轉(zhuǎn)子發(fā)熱不明顯,但是較大負載導致電流迅速增加,從而引起電機部位的繞組發(fā)熱偏高。

這3種典型的主軸運轉(zhuǎn)工況,導致在計算最佳流量時存在一定的偏差,因此,必須明確采用其中一種工況,以某型電主軸為例,計算在這3種典型工況下各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量。

電主軸電機各部件的發(fā)熱量計算主要依據(jù)的是Maxwell軟件中RMxprt模塊的磁路法[12,13],包含機械損耗、電損耗與磁損耗。軸承發(fā)熱量計算主要參考使用最廣泛的Palmgren法計算公式[14]。

以某型電主軸為例,3種典型的運轉(zhuǎn)工況如表1所示。

表1 某型電主軸3種典型運轉(zhuǎn)工況

不同工況下,某型電主軸各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量分別如表2所示。

表2 某型電主軸在不同工況下各部件的發(fā)熱量(單位:W)

2 主軸溫度場建模及實驗

2.1 有限元模型建立

根據(jù)某型電主軸的實際尺寸,筆者建立電主軸三維實體模型。首先筆者對模型進行適當簡化,不考慮螺釘、電源線、接頭等局部特征,保留與溫度場仿真相關(guān)的結(jié)構(gòu);將三維模型導入有限元軟件中,進行網(wǎng)格劃分以及結(jié)構(gòu)設(shè)置等操作;最后將模型導入流體分析軟件中,進行邊界條件的設(shè)置。

電主軸各相應(yīng)部件的材料屬性如表3所示。

表3 某型電主軸材料屬性

筆者設(shè)置流體環(huán)境溫度25 ℃,入水口溫度為24 ℃,進水口流量取1 L/min～14 L/min,并換算為相應(yīng)的質(zhì)量流量、湍流強度及水力直徑;其中,湍流強度一般根據(jù)經(jīng)驗公式I=0.16Re-1/8進行計算;水力直徑φ10.7 mm,出水口邊界采用默認的壓力出口邊界條件即大氣壓力;并對主軸熱源各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量進行設(shè)置,其數(shù)值參考表2。

由于熱對流系數(shù)與轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)(計算公式參考文獻[15]),對溫度場進行初始化之后,即可進行仿真計算,得到電主軸仿真結(jié)果。

2.2 溫度場實驗

為了驗證流固耦合仿真計算結(jié)果的準確性,筆者搭建了電主軸溫升測試平臺,對常用工況下的某型電主軸各關(guān)鍵部件的溫度進行了實驗測試,以此來驗證仿真結(jié)果。

此處,筆者通過預(yù)埋溫度傳感器PT100來采集電主軸各關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)[16]。其中,軸承位共12個測點,每個軸承上布置3個測點,電機位共布置9個測點。

電主軸內(nèi)部各關(guān)鍵部位的溫度傳感器布置位置如圖1所示。

圖1 電主軸溫度傳感器布置示意圖

某型電主軸溫度實驗測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 電主軸溫度測試現(xiàn)場

此處的試驗條件參照常用工況的仿真條件進行設(shè)置,在恒溫環(huán)境下進行測試。其中,環(huán)境溫度25 ℃,冷卻水溫度24 ℃,主軸轉(zhuǎn)速500 r/min。

在電主軸運轉(zhuǎn)過程中,主軸各關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)通過溫度傳感器PT100、研華采集卡和LabVIEW編程進行實時采集,以30 min內(nèi)無波動的溫度數(shù)據(jù)作為各關(guān)鍵部位的溫度(由于測點布置較多,同位置的測點溫度相差不超過0.1 ℃)。

2.3 實驗與仿真結(jié)果對比

筆者將溫度相對較高的前軸承1的1號測點、后軸承的1號測點和電機定子的7號測點的溫度數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比。

實驗測量數(shù)據(jù)與仿真對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 主軸溫度場實驗與仿真對比

從圖3對比曲線可以看出:實驗測試所得的冷卻流量對電主軸溫度的影響曲線與仿真結(jié)果基本一致;其中,主軸前、后軸承處誤差不超過0.5 ℃,電機溫度誤差范圍為1.0 ℃～1.5 ℃,誤差數(shù)值較小。

以上結(jié)果表明:電主軸溫度場仿真的模型及邊界條件設(shè)置可靠,其仿真分析結(jié)果具有一定的參考價值。

3 冷卻流量計算及分析

3.1 常用工況下最佳冷卻流量

在常用工況下,筆者將電主軸各關(guān)鍵部件的熱流密度及熱對流系數(shù)納入仿真模型,分別計算冷卻流量為1 L/min～14 L/min時,電主軸各關(guān)鍵部件的平均溫度及整機溫度,得到各關(guān)鍵部件的溫度場分布云圖。

在常用工況下,電主軸各關(guān)鍵部件的溫度場分布云圖如圖4所示(冷卻流量為8 L/min)。

圖4 常用工況下關(guān)鍵部件溫度場分布云圖

電主軸各關(guān)鍵部件的平均溫度隨冷卻流量變化趨勢,如圖5所示。

圖5 各關(guān)鍵部件溫度隨流量變化趨勢

從圖5可以看出:在常用的工況下,隨著冷卻液流量的增加,電主軸各關(guān)鍵部位的溫度呈現(xiàn)下降趨勢;在冷卻液流量小于8 L/min時,電主軸各部件的溫度隨流量的增加而迅速減小;在冷卻液流量大于8 L/min時,電主軸各部件的溫度梯度趨于不變,此時對應(yīng)的冷卻液流量即為其最佳流量。

3.2 惡劣空載下最低冷卻流量

在惡劣空載工況下,在對電主軸進行最低冷卻流量計算時,需要參考電主軸中各關(guān)鍵部件的溫升和溫度限制規(guī)范。

主軸電機溫升或溫度限制標準如表4所示。

表4 電機溫升或溫度限制標準

主軸軸承溫升或溫度限制標準如表5所示。

表5 軸承溫升或溫度限制標準

由表4和表5可知:在電主軸運轉(zhuǎn)過程中,其軸承的溫升不超過30 ℃,溫度不超過60 ℃。

而當前的電機繞組采用F級繞組,因此電機溫升不超過105 ℃,溫度限制為120 ℃。

在惡劣空載工況下,筆者將電主軸各關(guān)鍵部件的熱源及熱對流系數(shù)納入主軸仿真模型;調(diào)整冷卻流量值,通過觀察電主軸各關(guān)鍵部件中哪個部件首先達到溫度限值,并加以統(tǒng)計,即可得到最低冷卻流量。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試可知,在惡劣空載工況下,后軸承溫度最先達到溫度限制,此時冷卻液流量為0.4 L/min,則該流量即為惡劣空載工況下電主軸的最低冷卻流量。

冷卻流量為0.4 L/min時,電主軸整機溫度場分布云圖如圖6所示。

圖6 惡劣空載下主軸溫度場分布云圖

3.3 惡劣負載下最低冷卻流量

在惡劣負載工況下,在對電主軸最低冷卻流量進行分析時,同樣要參考電主軸各關(guān)鍵部件的溫升和溫度限制規(guī)范,即要將惡劣負載工況下,各關(guān)鍵部件熱流密度及熱對流系數(shù)納入電主軸仿真模型,調(diào)整冷卻流量值,通過觀察電主軸各關(guān)鍵部件中哪個部件首先達到溫度限值,并加以統(tǒng)計,即可得到最低冷卻流量。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試可知,在惡劣空載工況下,電機繞組溫度最先達到溫度限制,此時冷卻流量為0.67 L/min,該流量即為惡劣負載工況下電主軸的最低冷卻流量。

冷卻流量為0.67 L/min時,電主軸整機溫度場分布云圖如圖7所示。

圖7 惡劣負載下主軸溫度場分布云圖

4 結(jié)束語

筆者針對某型高速電主軸,通過仿真方法分析了不同工況下冷卻流量對主軸內(nèi)部各關(guān)鍵部位溫升的影響;為了對仿真結(jié)果進行驗證,搭建了電主軸溫升測試平臺,對不同工況下電主軸溫升進行了實驗測試,并將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行了對比分析。

研究的主要過程及結(jié)果如下:

(1)針對某型電主軸,分別計算了常用切削、空載最高轉(zhuǎn)速及低速最大扭矩3種典型運轉(zhuǎn)工況下,主軸各關(guān)鍵部件發(fā)熱量,結(jié)果表明,不同運轉(zhuǎn)工況下主軸各關(guān)鍵部件發(fā)熱量差異十分明顯,因此,在確定主軸最佳冷卻流量時應(yīng)區(qū)別對待;

(2)通過實驗對仿真模型進行了驗證,對比了不同冷卻流量下主軸各關(guān)鍵部件的溫度變化趨勢,其誤差小于5%(前、后軸承處誤差不超過0.5 ℃,電機溫度誤差在1.0 ℃～1.5 ℃),證明仿真模型是可靠的;

(3)取常用切削工況進行了最佳冷卻流量計算,得到了某型電主軸最佳流量;結(jié)合主軸行業(yè)中各關(guān)鍵部件的溫度限值,分別取空載最高轉(zhuǎn)速與低速最大扭矩運轉(zhuǎn)工況進行了最低流量計算,得到了某型電主軸最低冷卻流量。

以上分析結(jié)果表明,在大扭矩情況下,隨著流量的不斷減小,電機繞組容易因溫度過高燒毀;而在轉(zhuǎn)速較高的情況下,隨著流量的不斷減小,后軸承最容易因溫度過高而燒毀。

為使該研究工作更加全面,在后續(xù)的工作中,筆者將會就不同冷卻介質(zhì)下的流量對主軸溫升的影響進行研究。