电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究

以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象,考虑了内置电机的损耗生热和轴承的摩擦生热,计算了电主轴各部分之间的传热系数,利用有限元软件Workbench建立电主轴有限元模型,分析得到了电主轴在不同因素影响下的温度场分布,基于电主轴热-结构耦合关系分析得到了温度影响下电主轴的热变形。仿真结果显示,较低转速下电主轴转子温度最高,转速对电主轴温度影响较大;电主轴头尾部热变形较大,主要为轴向变形。最后,将温度场仿真数据与实验数据对比,验证了仿真分析的准确性。     

高速陶瓷电主轴的热态特性分析

利用高速陶瓷电主轴热稳态和热瞬态的热力学模型,研究了热态性能对零件加工精度的影响,结合某高速精密加工中心的主轴单元,用有限元计算和分析了温度场及热平衡时间,将结果与实验进行比较,证明其有效性。结果表明:高速陶瓷电主轴在运转时热量主要来源于内置电机的损耗发热和轴承摩擦生热。前后轴承、定子和转子是热量集中处,最高温度出现在转子与定子间间隙处,为62.23℃,需采用良好的散热措施进行散热;精密磨削加工前应提前启动机床,进行10 min的预热,使机床各部件达到热平衡,减少热变形带来的加工误差,提高加工质量。该建模方法以及热力学模型可为高速电主轴的优化设计和研制提供一定的参考。     

基于分形理论的电主轴系统热态分布特性研究

分形理论中的Weierstrass-Mandelbrot(W-M)函数描述了微观接触表面的连续性、自相似性、自亲和性等数学特性,能够很好地考虑三种变形状态(弹性,弹塑性和塑性状态)下圆弧接触面之间的接触热阻.以分形理论为基础建立了电主轴系统的热阻网络模型,对电主轴系统的热态分布特性进行了相关研究.分别列出了电主轴系统的关键节点热平衡方程,分析节点的稳态和瞬态温度.分形参数识别试验和热传导试验验证了圆弧形接触面间接触热阻的准确性,电主轴系统的温升试验验证了热阻网络模型的准确性.结果 表明:电主轴系统各部件的温度在一定时间内迅速上升后趋于稳定;同时,分形维数D的升高将导致节点温度的降低;分形幅度系数G的升高会导致电主轴系统温度的升高.     

高速滚珠轴承电主轴热态特性分析

为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真。研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗。结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式。结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域。将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域。设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性。     

基于接触热阻的磨齿机电主轴热特性分析

大规格数控成形磨齿机高速电主轴系统在加工过程中产生大量热量,导致砂轮主轴产生相应热变形,影响加工精度。针对这一现象,提出了一种考虑接触热阻的瞬态热-结构耦合分析方法。该方法基于分形理论,利用W-M分形函数表征结合面接触状态,使用均方根测度法对分形参数进行识别。结合基体热阻和收缩热阻的影响计算结合面间总接触热阻,并计算热源发热量及各部件的对流换热系数,建立了综合考虑内部热源、边界条件和接触热阻的综合有限元模型,获得热误差仿真结果。分析电主轴温度及热变形在是否考虑接触热阻情况下变化差异。最后建立电主轴系统热误差测量试验平台,通过试验验证了该方法的准确性和可靠性。通过仿真得到温度及热位移量与实验值基本一致。     

多因素对电主轴热态特性的影响

为了精确表征电主轴运转过程中的热态特性,综合考虑热诱导预紧力与黏温效应的影响,建立了新的轴承生热动态模型,在热边界条件引入接触热阻的基础上,采用有限元方法得到主轴系统稳态温度场分布,并分析了主要因素对电主轴热态特性的影响。计算结果表明:接触热阻的存在使主轴系统整体温度梯度增加,比没有考虑接触热阻时的温升高;温升引起的热变形,不仅生成了热诱导预紧力而且增加了轴承的温升;为了降低轴承产热,低转速下应选用高粘度润滑油,低转速下应选用高粘度润滑油。     

角接触球轴承传热机理及其对高速电主轴性能的影响分析

在传热学的基础上,建立了接触区等效热阻的角接触球轴承传热模型,并用离散热节点的方法建立热阻网络模型,提出了根据热能量守恒建立热节点微分方程对节点温度进行预测的方法,采用有限元法对电主轴及其轴承温度场进行仿真,并探讨了电主轴转速对轴承接触区等效热阻的影响,以及等效热阻对电主轴温度场分布的影响。结果表明:轴承接触区等效热阻对电主轴温度场分布有较大影响,电主轴转速越高,轴承接触区等效热阻越大,轴承组件中的热梯度越大,在高速精密电主轴热设计中接触区等效热阻不可忽视。     

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明：转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。     

考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的高速角接触球轴承温度场分析

高速电主轴角接触球轴承内部的摩擦会使轴承温度升高,进而影响主轴的使用性能。为精确分析高速角接触球轴承的温度场,提出了一种考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的轴承温度场分析方法。首先建立考虑差动滑动、自旋滑动、载荷以及润滑油黏性引起的摩擦的总摩擦生热量计算模型和热诱导载荷计算模型,然后分析两者之间的交互影响,最终基于有限元分析软件得到轴承稳态温度场,结果表明：稳态时轴承最高温度在球与内圈接触区域,球与外圈的接触区域温度较低;考虑热诱导载荷时差动滑动、自旋滑动以及载荷引起的摩擦生热量大于未考虑热诱导载荷,润滑油黏性引起的摩擦生热量无变化;考虑热诱导载荷时球与内圈的接触力及温升大于未考虑热诱导载荷。     

基于热网络的某主轴系统稳态热分析

以某主轴系统为研究对象,用热网络法建立了该主轴系统的热平衡方程组;针对主轴系统的结构件、轴承转速、冷却液温度等给定的工况建立了热阻、功率损失、对流传热的计算模型;通过MATLAB求解热平衡方程组,计算出主轴系统的稳态温度场分布;考虑了轴承转速、冷却液温度、润滑剂黏度大小对主轴系统中关键节点温度的影响,为该主轴系统的瞬态热分析提供了有效的初始条件。