150MD24Z7.5高速电主轴多场耦合模型与动态性能预测

电主轴是机电一体化产品,充分考虑并预测其动态特性是机床主轴系统优化设计的前提。本文基于电主轴内部磁场、电场、温度场、结构场间的耦合关系,建立了150MD24Z7.5高速电主轴多场耦合有限元模型,通过电主轴电机电磁损耗及轴承摩擦生热计算,仿真电主轴温度场及结构场变化,讨论电主轴热态特性与振动特性之间耦合关系,分析电主轴温升热膨胀后气隙变化对振动特性的影响并通过实验加以验证。研究结果表明,电主轴温升形变对振动幅值影响较大,其中由气隙变化引起的电磁力幅值增加12.1%。利用该多场耦合模型可预测电主轴振动幅值,预测误差为10.2%。     

基于昆虫翅脉仿生流道的数控机床主轴系统冷却结构热设计

主轴系统的热误差是影响数控机床加工精度的主要因素。根据自然界昆虫的翅脉结构,设计了一种基于鳞翅目昆虫翅脉仿生流道的新型主轴系统冷却结构。建立了昆虫翅脉仿生流道冷却结构模型,在数值传热学相关理论基础上,通过Fluent有限元软件对传统螺旋形流道和新型昆虫翅脉仿生流道冷却结构进行流固耦合仿真对比分析,结果显示后者比前者具有更好的散热效果和流动特性：在相同边界条件下,冷却液最大流速约为1.839 m/s,出入口压降为3 181 Pa,加热面最高温度降低了约17.8%、最低温度降低了约4.6%,且冷却结构的温度场分布更均匀。研究结果可为数控机床主轴系统冷却结构的热设计提供参考。     

用于高速机床电主轴的热管冷却系统

高速机床在电主轴的高速旋转下，所产生的发热量很大，由此产生的热膨胀，其引起的制造精度误差占总制造误差的40％-70％．同时也影响到了高速电主轴的使用寿命。通过对现有高速电主轴的冷却系统的分析，将热管高效的导热性、温度的均匀性及结构的多样性等特性应用于高速电主轴的冷却，能迅速导出大量的热能。采用热管冷却技术能有效解决高速电主轴温度变化问题。     

摇摆激励喷雾冷却实验装置设计

喷雾冷却技术广泛应用于高热流密度机载设备的高效换热。为更好地开展喷雾冷却换热特性实验研究，设计并搭建了摇摆激励喷雾冷却实验装置。首先，通过监测温度、压力及流量等实验数据，以及对模拟加热源进行热沉壁面温度、热流密度和传热系数的不确定度分析，设计了喷雾换热腔系统、摇摆控制系统和数据采集分析系统。然后，通过开展不同幅度摇摆激励下的稳态喷雾冷却换热特性实验来验证所设计装置及方法的可行性。结果表明，喷雾冷却分为浸没喷雾、半浸没喷雾及正常喷雾三个阶段；摇摆激励引起的换热废液不正常排出导致喷雾冷却换热行为发生了变化，在摇摆过程中热沉壁面温度和热流密度剧烈波动；摇摆停止后积液开始不断减少，随着积液高度的不断降低，喷雾冷却换热特性随之变动。在喷雾冷却过程中，幅度不同的摇摆激励下热沉壁面温度的增幅最高可达26.47%，约升高了10.915℃；铜柱热流密度的降幅高达5.42%，约下降了4.126 W/cm²。所设计的实验装置稳定可靠，对机载设备喷雾冷却换热特性的研究和工程应用具有一定价值。     

医用泡罩包装容器热成型仿真及工艺参数优化

目的通过数值模拟技术,仿真某医用泡罩包装热成型容器在柱塞辅助热成型工艺过程中,不同时刻片材的厚度变化规律及分布情况,并验证有限元仿真模拟结果的可靠性。仿真拉伸头不同预拉伸深度下的热成型容器的壁厚分布情况,找出使壁厚分布更加均匀的最佳预拉伸深度值,以优化工艺参数。方法利用Solid Works软件建立了有限元模型,通过Ansys Polyflow软件仿真该医用泡罩包装容器的热成型工艺过程。并通过对实际热成型产品进行热成型实验,验证了有限元仿真模拟结果的可靠性。结果仿真值与实验值的相对误差约为2%,仿真结果与实际情况大体一致,仿真结果比较可靠。结论通过有限元仿真模拟得到该医用泡罩包装制品的最佳热成型预拉伸深度值为6.5 mm。     

铝带冷轧机工作辊分段冷却热辊型调控功效分析

目的研究铝带冷轧机轧辊热辊型调控功效对分段冷却流量分布的影响。方法利用ANSYS有限元软件及其APDL参数化编程语言,建立工作辊温度场和热辊型轴对称仿真模型,对轧辊温度场仿真结果和实测数据进行对比分析,对轧辊基本冷却和分段局部冷却2种模式的热辊型调控效应进行了仿真分析。结果轧辊温度场仿真模型计算结果与实测结果误差较小。热辊型调控功效分析表明,二次基本冷却模式能改善轧辊中部冷却效果,减少板边处轧辊局部冷却能有效改善板边处轧辊的温降,得到了二肋浪位置附近喷嘴对二肋浪处热辊型的调控效应系数相对比例。结论热辊型调控功效分析研究结果为二肋浪等局部板形控制的分段冷却流量的确定提供了依据。     

基于ANSYS的电主轴热结构耦合分析

以高速电主轴为研究对象,利用Solidworks建立主轴的三维实体模型,采用有限元法对电主轴进行结构分析,将ANSYS的热分析结果作为初始载荷,外加结构载荷,对电主轴进行了热结构耦合,获得了电主轴的应力应变分布云图和主轴的最大变形量,为该型电主轴的优化提供了理论依据．     

平地机冷却风扇的改进与信噪比分析

为提升冷却风扇性能,改善空气流动状态,结合国内某款平地机建立其冷却风扇三维模型,在虚拟风道内,利用CFD数值仿真方法对其进行分析,并将仿真结果与实验数据进行对比;利用变环量设计法对原风扇进行重新设计,在相同边界条件下对其进行仿真,对比两风扇仿真结果;分析新风扇结构参数对其性能的影响,并通过正交试验对不同结构参数组合下信噪比进行分析。结果表明:原风扇实验值与仿真值在静压、静压效率上的最大误差分别为8.35%,2.34%,均在可接受范围内,验证了仿真方法的正确性;在大部分流量区间,新风扇的静压、静压效率均大于原风扇,表明改进有效;在信噪比分析中,轮毂比对冷却风扇综合性能影响的贡献率为42.25%,叶片数的为35.98%,叶尖安装角的为11.07%,前弯角的为10.7%。研究结果可为冷却风扇的设计与改进提供一定的参考。     

基于湿帘蒸发冷却技术回收利用制冷冷凝水的分体式空调设计与实验应用

分体式空调在我国建筑中广泛使用,暖通空调能耗占建筑能耗可达到40%~50%,分体式空调的节能优化设计是空调节能的重要环节。分体式空调在湿负荷较大的场所,每1kW冷负荷每小时产生约0.8kg的冷凝水,冷凝水温度较低约为10~15℃。空气露点温度越高,含湿量越大,产生的冷凝水越多,而冷凝水需要设置排水管进行有组织排放,这既造成冷凝水冷量浪费又增加了排水管的管材使用。本文提出了一种基于湿帘蒸发冷却技术回收利用制冷冷凝水的分体式空调设计与实验应用。通过实验、计算和对比分析出利用制冷冷凝水后的实际节能效果,结果表明:通过利用湿帘蒸发冷却回收利用制冷冷凝水的分体式空调不仅可以提高制冷量约4.612%和能效比约9.302%,降低冷凝温度约4.685%,而且不需要设置排水管。     

烧结环冷机柔磁性密封技术的应用

为解决烧结环冷机的漏风问题,提高余热利用效率,凌钢环冷机采用了柔磁性密封技术。结果表明：冷却机漏风率降低25%以上,烧结矿冷却效果明显改善,余热回收废气温度升高80℃左右,发电效率提高15%以上,年创效益1800多万元,使烧结余热发电水平又上了一个新台阶。     

Improved thermal resistance network model of motorized spindle system considering temperature variation of cooling system

In the motorized spindle system of a computer numerical control (CNC) machine tool, internal heat sources are formed during high-speed rotation; these cause thermal errors and affect the machining accuracy. To address this problem, in this study, a thermal resistance network model of the motorized spindle system is established based on the heat transfer theory. The heat balance equations of the critical thermal nodes are established according to this model with Kirchhoff's law. Then, they are solved using the Newmark-β method to obtain the temperature of each main component, and steady thermal analysis and transient thermal analysis of the motorized spindle system are performed. In order to obtain accurate thermal characteristics of the spindle system, the thermalconduction resistance of each component and the thermalconvection resistance between the cooling system and the components of the spindle system are accurately obtained considering the effect of the heat exchanger on the temperature of the coolant in the cooling system. Simultaneously, high-precision magnetic temperature sensors are used to detect the temperature variation of the spindle in the CNC machining center at different rotational speeds. The experimental results demonstrate that the thermal resistance network model can predict the temperature field distribution in the spindle system with reasonable accuracy. In addition, the influences of the rotational speed and cooling conditions on the temperature increase of the main components of the spindle system are analyzed. Finally, a few recommendations are provided to improve the thermal performance of the spindle system under different operational conditions.The full text can be downloaded at https://link.springer.com/article/10.1007/s40436-018-0239-4     

Study of the thermal influence on the dynamic characteristics of the motorized spindle system

The severe internal heat generation of the motorized spindle system causes uneven temperature distribution, and will affect the vibration characteristics of the system. Based on the thermal analysis about the motorized spindle by finite element method (FEM), the thermal deformations of the spindle system are calculated by the thermal structure coupling simulation, and the thermal deformations of the rotor and the bearing units are extracted to analyze the bearing stiffness changes so that the modal characteristics of the rotor can be simulated in different thermal state conditions. And then the rotor thermal deformation experiment and the modal experiment of spindle by exciting with hammer are performed. The result shows that the thermal state of the motorized spindle system has a significant influence on the natural frequency of the rotor, which can be carefully treated when a spindle system is designed.     

带冷却系统的XK717数控铣床主轴部件热特性分析

机床主轴系统是机床的核心部件，其热特性的好坏，直接影响机床的加工精度；以建立主轴系统的有限元模型，结合主轴系统与普通水箱之间的冷却模型，对带有冷却套的主轴系统进行了热特性分析，得出了主轴系统的热特性曲线；根据分析结果，对XK717数控铣床主轴部件冷却套的布局进行了改进设计，为优化数控铣床主轴系统提供了理论依据。     

Performances of thermoelectric cooler integrated with microchannel heat sinks

In this study, experimental and theoretical studies on thermoelectric cooler (TEC) performance for cooling a refrigerated object (water in a tank) were performed. Microchannel heat sinks fabricated with etched silicon wafers were employed on the TEC hot side to dissipate heat. The measurements show that the temperature of the refrigerated object decreased with time. A theoretical model based on a lumped system was established to predict the transient behavior of the variation in temperature for the refrigerated object with time. The theoretical predicted temperature variation was in good agreement with the measured data. The relationship among the heat sink thermal resistances, TEC electric current input and minimum refrigerated objected temperature was examined based on the theoretical model. The calculated minimum temperatures were showed for the several cases of heat sink thermal resistance on the TEC hot side and electric current input. The minimum temperature can be obtained by increasing the electrical current input and decreasing the heat sink thermal resistance.     

高速静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化

针对高效精密机床电主轴系统的高速化,讨论液体静压主轴系统失稳机理,并对高速静压内置式电主轴系统进行稳定性分析;提出基于遗传算法的电主轴系统稳定性优化方法。以系统稳定性评价指标为优化目标、电主轴系统轴向尺寸参数为设计变量,采用高效微型遗传算法实现电主轴系统稳定性优化。该方法既能高效解决增强轴系稳定性优化问题,又可避免复杂结构参数修改;通过某高速磨床静压内置式电主轴系统稳定性分析及优化对该方法进行验证。结果表明,稳定性分析及优化后系统稳定性得到明显提高。     

高速电主轴多场耦合动力学特性研究

建立了一种新型的高速电主轴多场耦合动力学模型,讨论了轴承模型、热态模型、芯轴动力学模型和电机电磁模型之间的耦合关系,提出热膨胀、轴承内圈离心膨胀、轴承内外圈接触膨胀、电磁不平衡拉力载荷和离心力载荷5种耦合因素,并且设计出多场耦合动力学模型的计算流程,分析耦合因素对高速电主轴系统运行状态的影响。以2ZDG60型高速电主轴为研究对象,计算结果表明：考虑耦合因素与不考虑耦合因素相比较,轴承动态支承刚度、轴承损耗功率以及芯轴动力学行为差别较大;实验结果表明：考虑耦合因素时的高速电主轴温升分布和芯轴固有特性与实验结果的吻合度较高。