冷卻系統(tǒng)流量對(duì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,電機(jī)的損耗發(fā)熱和軸承的摩擦生熱是無(wú)法避免的,它們所引起的主軸熱變形會(huì)直接影響機(jī)床加工精度[1]。因此,了解電主軸整體的傳熱機(jī)制,并合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng),對(duì)主軸設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就電主軸的冷卻問(wèn)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(chǎng)模型,并用該模型對(duì)電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的內(nèi)部溫度分布進(jìn)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(duì)電主軸內(nèi)部的熱源和傳熱機(jī)制進(jìn)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(jìn)氣壓力3個(gè)參數(shù)對(duì)電主軸冷卻效果的影響機(jī)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(guò)仿真分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了冷卻水流速對(duì)主軸溫升的影響。MANSINGH B B等人[7]對(duì)不同形式的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析,并研究了主軸溫度場(chǎng)的分布狀況,得出了循環(huán)冷卻系統(tǒng)對(duì)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(cè)模型,在考慮不同參數(shù)對(duì)電主軸溫升影響的基礎(chǔ)上,對(duì)空載下的電主軸溫度場(chǎng)進(jìn)行了精確預(yù)測(cè)。胡秋等人[10]對(duì)空載最高轉(zhuǎn)速下的電主軸進(jìn)行了熱耦合分析,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電主軸的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。芮執(zhí)元等人[11]采用正交實(shí)驗(yàn)的方法,研究了不同轉(zhuǎn)速下冷卻液流速對(duì)主軸溫升的影響,為精準(zhǔn)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(shí)考慮主軸轉(zhuǎn)速、負(fù)載及扭矩相互組合后對(duì)其溫升的影響。

為此,筆者以某型電主軸為研究對(duì)象,以3種典型的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)工況為例,分別計(jì)算3種工況下各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量;同時(shí),建立主軸溫度場(chǎng)仿真模型,結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的可信度;最后,計(jì)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(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)部位的定/轉(zhuǎn)子發(fā)熱較為明顯;電機(jī)部位的繞組因空載電流較小,發(fā)熱相對(duì)較小;

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

這3種典型的主軸運(yùn)轉(zhuǎn)工況,導(dǎo)致在計(jì)算最佳流量時(shí)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(jì)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(jī)各部件的發(fā)熱量計(jì)算主要依據(jù)的是Maxwell軟件中RMxprt模塊的磁路法[12,13],包含機(jī)械損耗、電損耗與磁損耗。軸承發(fā)熱量計(jì)算主要參考使用最廣泛的Palmgren法計(jì)算公式[14]。

以某型電主軸為例,3種典型的運(yùn)轉(zhuǎn)工況如表1所示。

表1 某型電主軸3種典型運(yùn)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(chǎng)建模及實(shí)驗(yàn)

2.1 有限元模型建立

根據(jù)某型電主軸的實(shí)際尺寸,筆者建立電主軸三維實(shí)體模型。首先筆者對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,不考慮螺釘、電源線、接頭等局部特征,保留與溫度場(chǎng)仿真相關(guān)的結(jié)構(gòu);將三維模型導(dǎo)入有限元軟件中,進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及結(jié)構(gòu)設(shè)置等操作;最后將模型導(dǎo)入流體分析軟件中,進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度及水力直徑;其中,湍流強(qiáng)度一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式I=0.16Re-1/8進(jìn)行計(jì)算;水力直徑φ10.7 mm,出水口邊界采用默認(rèn)的壓力出口邊界條件即大氣壓力;并對(duì)主軸熱源各關(guān)鍵部件的發(fā)熱量進(jìn)行設(shè)置,其數(shù)值參考表2。

由于熱對(duì)流系數(shù)與轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)(計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[15]),對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行初始化之后,即可進(jìn)行仿真計(jì)算,得到電主軸仿真結(jié)果。

2.2 溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證流固耦合仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,筆者搭建了電主軸溫升測(cè)試平臺(tái),對(duì)常用工況下的某型電主軸各關(guān)鍵部件的溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以此來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果。

此處,筆者通過(guò)預(yù)埋溫度傳感器PT100來(lái)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(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)軸承上布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),電機(jī)位共布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

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(shí)驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 電主軸溫度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

此處的試驗(yàn)條件參照常用工況的仿真條件進(jìn)行設(shè)置,在恒溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,主軸各關(guān)鍵部位的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)溫度傳感器PT100、研華采集卡和LabVIEW編程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,以30 min內(nèi)無(wú)波動(dòng)的溫度數(shù)據(jù)作為各關(guān)鍵部位的溫度(由于測(cè)點(diǎn)布置較多,同位置的測(cè)點(diǎn)溫度相差不超過(guò)0.1 ℃)。

2.3 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

筆者將溫度相對(duì)較高的前軸承1的1號(hào)測(cè)點(diǎn)、后軸承的1號(hào)測(cè)點(diǎn)和電機(jī)定子的7號(hào)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 主軸溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

從圖3對(duì)比曲線可以看出:實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得的冷卻流量對(duì)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(guò)0.5 ℃,電機(jī)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(chǎng)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(jià)值。

3 冷卻流量計(jì)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(duì)流系數(shù)納入仿真模型,分別計(jì)算冷卻流量為1 L/min～14 L/min時(shí),電主軸各關(guān)鍵部件的平均溫度及整機(jī)溫度,得到各關(guān)鍵部件的溫度場(chǎng)分布云圖。

在常用工況下,電主軸各關(guān)鍵部件的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(shì),如圖5所示。

圖5 各關(guān)鍵部件溫度隨流量變化趨勢(shì)

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(shì);在冷卻液流量小于8 L/min時(shí),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(shí),電主軸各部件的溫度梯度趨于不變,此時(shí)對(duì)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(duì)電主軸進(jìn)行最低冷卻流量計(jì)算時(shí),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(jī)溫升或溫度限制標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 電機(jī)溫升或溫度限制標(biāo)準(zhǔn)

主軸軸承溫升或溫度限制標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 軸承溫升或溫度限制標(biāo)準(zhǔn)

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

而當(dāng)前的電機(jī)繞組采用F級(jí)繞組,因此電機(jī)溫升不超過(guò)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(duì)流系數(shù)納入主軸仿真模型;調(diào)整冷卻流量值,通過(guò)觀察電主軸各關(guān)鍵部件中哪個(gè)部件首先達(dá)到溫度限值,并加以統(tǒng)計(jì),即可得到最低冷卻流量。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試可知,在惡劣空載工況下,后軸承溫度最先達(dá)到溫度限制,此時(shí)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(shí),電主軸整機(jī)溫度場(chǎng)分布云圖如圖6所示。

圖6 惡劣空載下主軸溫度場(chǎng)分布云圖

3.3 惡劣負(fù)載下最低冷卻流量

在惡劣負(fù)載工況下,在對(duì)電主軸最低冷卻流量進(jìn)行分析時(shí),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(fù)載工況下,各關(guān)鍵部件熱流密度及熱對(duì)流系數(shù)納入電主軸仿真模型,調(diào)整冷卻流量值,通過(guò)觀察電主軸各關(guān)鍵部件中哪個(gè)部件首先達(dá)到溫度限值,并加以統(tǒng)計(jì),即可得到最低冷卻流量。

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

冷卻流量為0.67 L/min時(shí),電主軸整機(jī)溫度場(chǎng)分布云圖如圖7所示。

圖7 惡劣負(fù)載下主軸溫度場(chǎng)分布云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)某型高速電主軸,通過(guò)仿真方法分析了不同工況下冷卻流量對(duì)主軸內(nèi)部各關(guān)鍵部位溫升的影響;為了對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,搭建了電主軸溫升測(cè)試平臺(tái),對(duì)不同工況下電主軸溫升進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

研究的主要過(guò)程及結(jié)果如下:

(1)針對(duì)某型電主軸,分別計(jì)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(yùn)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(yùn)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(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待;

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證,對(duì)比了不同冷卻流量下主軸各關(guān)鍵部件的溫度變化趨勢(shì),其誤差小于5%(前、后軸承處誤差不超過(guò)0.5 ℃,電機(jī)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(jìn)行了最佳冷卻流量計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了最低流量計(jì)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(jī)繞組容易因溫度過(guò)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(guò)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(huì)就不同冷卻介質(zhì)下的流量對(duì)主軸溫升的影響進(jìn)行研究。