高速滾珠軸承電主軸熱態(tài)特性分析(下）
2018-10-16 來(lái)源： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院 廣州市昊 作者：姜本剛 雷 群 杜建軍
3 、電主軸熱態(tài)特性的有限元分析與試驗(yàn)
為了便于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，以 DGZ60E. S 球軸承高速電主軸為研究對(duì)象進(jìn)行 ANSYS 仿真。這款電主軸的前、后軸承均為 FAG hcs7003c 脂潤(rùn)滑軸承，內(nèi)置電機(jī)為GZ1-060，額定功率為 1. 8 k W，效率為 10% 。
3. 1 電主軸有限元分析模型
電主軸整體上可以看作軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取其剖視圖的 1 /2 作為熱分析模型，將電機(jī)等效為圓柱筒，省略螺釘孔等細(xì)微結(jié)構(gòu)。在保證相應(yīng)結(jié)構(gòu)精度的情況下，簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS，選擇 PLANE55 單元，經(jīng)過(guò)處理后的有限元模型如圖8 所示。
圖 8 電主軸有限元分析模型
3. 2 電主軸溫度場(chǎng)分析
所研究對(duì)象為油脂潤(rùn)滑軸承支承的電主軸單元，則潤(rùn)滑劑的散熱影響可忽略。在進(jìn)行電主軸單元的熱仿真分析前，需要進(jìn)行以下假設(shè):( 1) 電主軸工作環(huán)境溫度 Te為 25 ℃ ;( 2) 電主軸選用水冷進(jìn)行冷卻，冷卻水的流量為 0. 5 L/min，入口水溫 Ti為 20 ℃ ，出口水溫 To根據(jù)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)確定為 40 ℃ ，則定性溫度 Tf為 30 ℃ 。表 2 所示為該條件下電主軸的熱邊界條件。
表 2 電主軸單元的熱邊界條件
為了研究穩(wěn)定的熱載荷對(duì)高速電主軸溫度場(chǎng)的影響，需要對(duì)電主軸進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析之前一般需要先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，以確定電主軸初始溫度分布場(chǎng)或瞬態(tài)熱分析最后一步的溫度場(chǎng)分布情況。將表 2 熱邊界條件加載到電主軸的有限元模型，圖 9 所示即為求解所得的電主軸的穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖。可知，電主軸穩(wěn)態(tài)溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)置電機(jī)轉(zhuǎn)子靠近定子一側(cè)區(qū)域的中間部分，為 63. 890 4 ℃ ，同時(shí)可以通過(guò)比較計(jì)算得到電主軸整體最高溫升高達(dá)38. 890 4 ℃ ，這是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子本身生熱率比較大，并且電機(jī)整體處于一個(gè)封閉的空間，冷卻液對(duì)其溫度影響也有限，這樣就形成一種生熱多、散熱困難的情況。前、后軸承的最高溫度都出現(xiàn)在軸承滾珠的中心位置，其中，前軸承組的最高溫度在 62. 5 ℃ 左右，后軸承的最高溫度則為 62 ℃ 左右，由此可知，電主軸的軸承溫升為 37 ℃ 左右。支承軸承溫度較高的原因主要有 2 個(gè): 一是電主軸高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致軸承磨損加劇，從而使得軸承發(fā)熱量較高; 二是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量通過(guò)接觸件的熱傳導(dǎo)作用影響到軸承的發(fā)熱。
另外，可以看到，不論前、后軸承，軸承內(nèi)圈的平均溫度均要遠(yuǎn)高于軸承外圈，大約平均高出 30 ℃ ，這是因?yàn)檩S承內(nèi)圈與溫度較高的主軸直接接觸，而軸承外圈則是距離冷卻管路更近，由于熱傳導(dǎo)的作用，產(chǎn)生了該現(xiàn)象。電機(jī)定子的發(fā)熱率也是比較高，但是它的最高溫度大約只有 39 ℃ ，這里，流過(guò)電主軸殼體的冷卻水起到了關(guān)鍵作用，帶走了定子產(chǎn)生的大部分熱量。
圖 9 電主軸溫度分布
高速電主軸瞬態(tài)熱分析用于分析其溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況。瞬態(tài)熱分析與穩(wěn)態(tài)熱分析的區(qū)別在于其載荷是隨時(shí)間變化的。現(xiàn)假設(shè)電主軸空載運(yùn)行了1 000 s，對(duì)電主軸進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。在電主軸前軸承、后軸承、電機(jī)轉(zhuǎn)子上分別選取溫度較高的節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地繪制各節(jié)隨時(shí)間變化的溫度曲線，如圖 10 所示。
圖 10 電主軸特定節(jié)點(diǎn)溫升曲線
由圖 10 可知，在 0 ～ 400 s，不論電機(jī)轉(zhuǎn)子、前軸承和后軸承節(jié)點(diǎn)，它們的溫度上升速率在整個(gè)溫升過(guò)程中都為最大，其中，前軸承升溫速率比后軸承大，而后軸承的溫升速率又比電機(jī)轉(zhuǎn)子大; 在 400 ～800 s 區(qū)間，三者的溫度上升趨勢(shì)逐漸趨于平緩，并持續(xù)保持轉(zhuǎn)子溫度高于前軸承，前軸承溫度高于后軸承; 從 800 s 左右開(kāi)始，三者都基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度，溫度大小排序維持不變。基于以上現(xiàn)象，有如下分析: 電主軸的溫度上升主要經(jīng)歷了急劇上升、緩慢上升和穩(wěn)定 3 個(gè)階段。在第一階段，由于前軸承為 2 個(gè)軸承組成的軸承組，而后軸承為單一的軸承，則后軸承的發(fā)熱量明顯低于前軸承，因此出現(xiàn)了前軸承溫升大于后軸承的現(xiàn)象。在第二、第三階段，主要由于冷卻水的持續(xù)作用，使得電主軸的溫升逐漸趨于平穩(wěn)，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)以上分析可見(jiàn)，在該電主軸以60 000 r/min轉(zhuǎn)速開(kāi)始工作前，先讓其空轉(zhuǎn) 800 s左右以達(dá)到預(yù)熱目的，然后再進(jìn)行加工操作，從而可以大大降低由于主軸溫升造成的加工誤差。為了分析電主軸的熱位移及熱應(yīng)力分布情況，需要進(jìn)行熱 － 結(jié)構(gòu)耦合分析。本文作者采用間接法進(jìn)行熱 － 結(jié)構(gòu)耦合分析。在前述穩(wěn)態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行如下操作:
(1) 在前處理器中轉(zhuǎn)換熱分析單元 PLANE55 為相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元 PLANE182。(2) 設(shè)置添加電主軸材料的物理參數(shù)。將電主軸各部件材料的彈性模量、線膨脹系數(shù)和泊松比進(jìn)行設(shè)置。(3) 將上述穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果以溫度載荷的形式加載到有限元模型。(4) 指定電主軸的參考溫度為 25 ℃ 。默認(rèn)在參考溫度時(shí)，熱應(yīng)力為 0。(5) 進(jìn)行求解及后處理。按照上述步驟操作完畢后，電主軸軸向位移場(chǎng)如圖 11 所示。
圖 11 電主軸軸向位移場(chǎng)
由圖 11 可知: 在穩(wěn)態(tài)溫度熱載荷作用下，主軸的軸向位移量基本上是從軸的前端向后端逐漸減小，電主軸整體的軸向熱位移最大點(diǎn)出現(xiàn)在主軸的最前端，為 0. 738 mm，熱位移最小點(diǎn)出現(xiàn)在主軸的最末端，為 0. 563 mm，這一情況對(duì)電主軸的加工精度的影響是明顯的，由此可見(jiàn)對(duì)電主軸適當(dāng)冷卻散熱的重要性。另外，通過(guò)采用彈性模量較大或熱膨脹系數(shù)較小的材料作為電主軸材料可以達(dá)到減小主軸軸向變形量的目的。圖 12—14 示出了電主軸軸向、徑向和周向的熱應(yīng)力分布云圖。
圖 12 電主軸軸向應(yīng)力場(chǎng)
圖 13 電主軸徑向應(yīng)力場(chǎng)
圖 14 電主軸周向應(yīng)力場(chǎng)
3. 3 實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證理論計(jì)算及仿真分析的可行性，設(shè)計(jì)溫度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，裝置如圖 15 所示。
圖 15 實(shí)驗(yàn)裝置
電主軸以 60 000 r/min 轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn) 1 h 后，分別選取電主軸外壁、前端及主軸內(nèi)壁靠近轉(zhuǎn)子部分若干點(diǎn)，采用萬(wàn)用表和熱敏電阻測(cè)量各點(diǎn)溫度，并與仿真結(jié)果中對(duì)應(yīng)各點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，如表 3 所示。測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)值的偏差基本維持在 10% 以內(nèi)，說(shuō)明文中的理論方法是可行的。
表 3 節(jié)點(diǎn)溫度的理論值與實(shí)際值
4、 結(jié)論
(1) 采用局部熱計(jì)算方法計(jì)算滾珠軸承生熱功率，分析發(fā)現(xiàn)軸承轉(zhuǎn)速及軸向受力都對(duì)軸承生熱具有顯著影響，且 軸 承 滾 珠 自 旋 是 軸 承 的 主 要 的 發(fā) 熱形式。(2) 利用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)電主軸模型的溫度場(chǎng)、軸向位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析發(fā)現(xiàn)電主軸的最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)置電機(jī)轉(zhuǎn)子上且轉(zhuǎn)軸前端的軸向位移最大，說(shuō)明電主軸的熱源生熱對(duì)其加工精度及穩(wěn)定性具有決定性的影響。(3) 通過(guò)溫升 測(cè)定實(shí)驗(yàn) 驗(yàn) 證了理論方 法的可行性。
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