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。     

角接触球轴承油膜热阻及传热影响研究

角接触球轴承广泛应用于电主轴等高速轴系,研究角接触球轴承的润滑油膜热阻计算方法以及接触油膜热阻对轴承温度场分布的影响,对于改善角接触球轴承的工作条件和提高电主轴等轴系的运行稳定性有重要的意义。运用平板模型,分析计算了角接触球轴承的油膜热阻,探讨了影响油膜热阻的主要因素;采用有限元方法分析了角接触球轴承的温度场,研究了接触油膜热阻对轴承温度场分布的影响。结果表明:轴承转速、载荷和润滑油的动力粘度对油膜热阻有较大影响,接触油膜热阻对轴承的散热和温度场分布影响很大。     

基于热网络法的电主轴热结构耦合计算

为了更准确地对电主轴系统进行温度场的预测,建立了综合考虑接触热阻、轴承热变形和气隙变化等因素影响的热网络模型和热结构耦合热网络瞬态温度平衡方程(简称热平衡方程)。首先计算了接触热阻、轴承热变形、电机的定子与转子由于热变形导致的气隙变化以及电机与轴承的生热;然后选择电主轴主要部件作为温度节点,建立了电主轴系统的热网络模型及热平衡方程;最终通过MATLAB软件编程进行热平衡方程的求解,得到电主轴各主要部件的瞬态温度变化情况,通过不断更新接触热阻、轴承生热和电机生热等热特性参数,对电主轴进行温度和结构变形的耦合计算。计算结果表明:在达到平衡状态前,电主轴运转的时间越长,轴承的温度越高,轴承生热功率越低;电机温度随对流换热系数增高而降低;考虑热特性参数变化的热计算所得到的结果更加准确。通过与相同条件下的热结构耦合仿真结果进行对比表明,该热网络瞬态温度模型(热网络模型)可以正确预测温度场分布。     

高速电主轴热态特性仿真分析

在分析电主轴温度场理论的基础上,建立某高速磨床电主轴系统的有限元模型,计算了电主轴热特性分析的边界条件,利用有限元软件ANSYS Workbench分析其热态特性,得到了主轴系统的稳态温度场分布和热变形情况;同时分析计算了不同转速对主轴系统温升及热变形的影响.结果表明:主轴转速越高,相应主轴单元的温升变化及主轴热变形也越大.此分析为改善电主轴温度场分布及减小热变形提供了理论依据.     

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。     

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。     

角接触球轴承的温度场分析

研究轴承的发热、传热过程,可为轴承动态油膜的热失稳研究提供理论支持。建立滚动轴承油气或油雾润滑下的热节点传热模型,利用热网络法建立温度场计算模型,并考虑轴承转速、载荷、离心力和自旋对温升的影响,计算出各节点的温度。结果表明,角接触球轴承的热生成与轴承转速、载荷、离心力和自旋有关,转速越高,载荷越大,则轴承的温升越高;随着转速增大,离心力和自旋对温升的影响增大,尤其高速情况下,离心力和自旋对轴承温升的影响不可忽略。     

高速精密主轴轴承热特性的计算及分析

轴承的发热变形是影响高速精密主轴系统刚度和加工精度的重要因素。本文采用节点网络法，对以电主轴轴承、主轴、轴承座为一体的系统建立了温度场计算模型，求出了系统各关键节点的温升情况，分析了转速、切削力、润滑方式等因素对节点温度的影响，得出了若干有意义的结论。     

超高速主轴轴承内部润滑状态分析

基于稳态Ree-Eyring模型点接触热弹流润滑理论,采用多重网格法分析了油气润滑超高速主轴轴承在不同结构参数和工况条件下内部各接触区域的润滑状态;通过对轴承内部球与内、外套圈滚道之间的润滑状态进行系统仿真,分析了轴承转速、轴向预载荷、球径和初始接触角等基本参数对超高速主轴轴承内部润滑状态的影响。结果表明:超高速运行状态下的主轴轴承,其内部接触区的润滑油膜温度急剧升高,制约着电主轴轴承极限转速的提高;优化轴承的球径和初始接触角可使轴承内部接触区达到最佳的润滑状态;轴承的轴向预载荷对内部接触区的润滑状态影响不大。     

污染物离心附着现象对水润滑动静压滑动轴承的热弹流影响

建立了污染物离心附着的弹流润滑几何模型,采用考虑了热效应的Reynolds方程,针对水润滑动静压滑动轴承因为润滑剂污染的问题进行热弹流理论分析。研究了污染物离心附着现象对轴瓦表面纹理的影响以及接触区润滑膜的压力膜厚变化,分析了由于污染物离心附着堵塞进水孔对接触区润滑膜压力膜厚的影响,探究了污染物附着层对接触区温度场的影响。结果显示:污染物的离心附着现象有效改善了轴瓦表面的粗糙形貌,并缓解了接触区的膜厚波动现象;污染物对进水孔的堵塞程度越大,供水压力越小,接触区的最小膜厚越小,最大压力越大,不利于轴承润滑;污染物附着层对水润滑动静压滑动轴承接触区的温度场有影响,当污染物与轴瓦材料的物性参数相差越大温度场变化越大,反之则变化不大。     

立式加工中心电主轴的热分析

分析了立式加工中心电主轴的主要发热源,对轴承的摩擦发热进行了分析计算.在此基础上利用ANSYS建立了电主轴稳态温度场有限元模型并进行了分析计算.对电主轴中关键部住的温度场分布进行了分析,最后提出了改进电主轴温度场的主要措施.     

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。     

考虑结合面接触热阻的角接触球轴承温度场分析

在对滚动轴承摩擦学及传热学进行分析的基础上,计算了角接触球轴承的摩擦热,建立了考虑结合面接触热阻的角接触球轴承热传递模型。利用ANSYS获得了轴承的温度场,对比了在考虑接触热阻和不考虑接触热阻两种情况下角接触球轴承温度场的分布情况。结果表明:考虑接触面之间的接触热阻时,轴承的温度要略高于不考虑接触热阻时,且结合面的两表面之间存在温差。     

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.     

液体静压电主轴系统热-结构耦合特性研究

对某液体静压电主轴系统进行热态特性研究,分析系统热源和散热方式,建立基于热-结构耦合的电主轴系统有限元分析模型,通过对电主轴系统进行热-结构耦合分析,得到某工况下电主轴系统的温度场和不同方向的热变形分布。结果表明:电主轴系统的最高温度出现在主轴前轴承处;电主轴系统轴向最大热变形出现在主轴前端砂轮安装处,沿径向的热变形偏大,影响加工精度。     

计入电磁平衡装置的机床电主轴稳态温度场有限元分析

为了实现机床电主轴在工作过程中不停机主动平衡,设计了一种电磁平衡装置,将其集成到电主轴前端,形成了新的自平衡电主轴。为了研究该新型电主轴的热特性,建立了其三维有限元模型,计算了生热率和换热系数,确定了热载荷和边界条件,完成了自平衡电主轴整机三维稳态温度场分析,获得了温度分布云图。重点研究了平衡头安装、通电和主轴转速对自平衡电主轴温升的影响,根据分析结果确认了自平衡电主轴受平衡头和转速影响规律,对所提出的新型自平衡电主轴热学设计和散热优化提供了基础。     

HMC80卧式加工中心电主轴热态特性分析

分析了高速电主轴的两个热源,轴承发热和电机的发热,并计算了轴承和电机的发热量.分析了高速电主轴的散热特性,并对电主轴各部分散热系数进行了计算.以HMC80卧式加工中心电主轴为例,运用ANSYS有限元软件建立了电主轴的稳态热分析模型,以散热系数为边界条件,轴承和电机的发热量为热载荷进行有限元分析,得出该电主轴在热稳定状态下的温度场分布.分析结果表明,主轴前后轴承的温升符合该电主轴的温升标准,说明了该电主轴设计的合理性,最后提出了改善该电主轴热态特性的措施.     

基于键合图的变压预紧力电主轴热误差建模研究

高速电主轴工作过程中产生大量的热,导致主轴前端产生热变形,严重影响主轴加工精度。本文提出变压预紧力电主轴热误差预测模型,将传热学理论计算与键合图模型相结合,可实时且准确预测同类结构的电主轴热伸长。建立主轴的热-固耦合模型,通过有限元分析得到耦合作用下主轴温度场分布规律;根据温度场分布规律及热能流向,运用热力学理论将主轴整体模型划分节点,并计算出节点的热参数;搭配20-sim平台构建主轴热学键合图模型,将关键节点温度实时监测模块与热伸长模块关联,针对鼻端热伸长量,计算各关键点热变形并完成热误差建模。实验验证表明,所建立的键合图预测模型误差在0.5μm之内,研究成果可为不同工况下的智能电主轴实时热误差补偿提供理论基础。     

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。     

风力发电机轴承温度场研究

目前,风力发电迅速发展,发电机组可靠性非常重要,而分析发电机轴承温度变化可控制发电机工作性能。分析轴承温度场的研究方法主要有热网络法、有限元法及实验法。采用热网格法将发电机轴承系统温度节点离散化得到主要节点温度。利用传热学与摩擦学分析发电机轴承发热量数学模型,基于轴承工作状况,选择合适的轴承内部对流换热系数,在有限元软件下分析轴承内部稳态温度场的分布情况和热变形,得到了合理的轴承温度场云图,并分析了发电机轴承在风速突变转速下的温度场。