高速電主軸冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 鑫, 曲 航

(1.黑龍江省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究院, 哈爾濱 150023; 2.哈爾濱理工大學(xué) 先進(jìn)制造智能化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150080)

0 引 言

高速電主軸是精密機(jī)床的核心部件,是實(shí)現(xiàn)高效精密加工的關(guān)鍵[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中,高速電主軸產(chǎn)生的熱量引起的熱誤差高達(dá)總誤差的60%～80%,是影響精密機(jī)床加工精度的主要因素[4-7]。為保證高速電主軸系統(tǒng)在惡劣工作環(huán)境或高速旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的安全性,電主軸配備性能良好的冷卻系統(tǒng)以保證電主軸具有良好的熱態(tài)特性尤為必要,國內(nèi)外電主軸領(lǐng)域的學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)的研究。Marvin[8]在高速電主軸電機(jī)殼體上設(shè)計(jì)了一種單螺旋冷卻流道,由外部水冷機(jī)提供冷卻液并進(jìn)入電主軸內(nèi)部完成回流,減少熱量累積,此種冷卻水套至今仍應(yīng)用廣泛。Ando等[9]在主軸內(nèi)部兩條通道中通入兩種不同介質(zhì),實(shí)現(xiàn)可同時(shí)對(duì)主軸軸承進(jìn)行冷卻、潤滑的作用,該方法對(duì)電主軸的冷卻和潤滑效果較好,但由于無法實(shí)現(xiàn)電主軸的整體冷卻且成本較高的原因,而未被推廣。Thomas等[10]利用在電主軸內(nèi)置電機(jī)及軸承處安裝的噴頭帶走較多的熱量從而進(jìn)行冷卻,提高了電主軸的穩(wěn)定性。Li等[11]提出了一種電主軸軸芯環(huán)形冷卻結(jié)構(gòu),利用熱虹吸管原理進(jìn)行優(yōu)化,成功將電主軸最高溫度降低了約28%?？弟S然等[12]設(shè)計(jì)了一種新型軸芯冷卻結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)配備此軸芯冷卻結(jié)構(gòu)的高速電主軸較無軸芯冷卻的電主軸熱變形量減少了一半。朱科等[13]在電主軸轉(zhuǎn)軸中心線處開設(shè)直徑為8 mm的冷卻流道,可將電主軸熱變形量減小一半,同時(shí)達(dá)到熱平衡的時(shí)間可提前66.7%。李法敬等[14]利用不同充液率的虹吸管對(duì)電主軸進(jìn)行冷卻,可使主軸軸芯減小28%的熱量,驗(yàn)證了虹吸管可用于冷卻電主軸的軸芯。謝黎明等[15]確定熱管冷卻電主軸,發(fā)現(xiàn)熱管冷卻響應(yīng)速度快且效率高,對(duì)主軸系統(tǒng)的溫度場有很好的均衡作用,但只對(duì)轉(zhuǎn)子芯部的散熱效果更好。

基于上述研究,針對(duì)高速電主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),存在發(fā)熱較為嚴(yán)重,散熱效果不夠理想,通過分析常見的電主軸冷卻流道的冷卻特點(diǎn),針對(duì)高速電主軸的發(fā)熱規(guī)律,綜合考慮實(shí)際應(yīng)用難度及適用情況,確定電主軸的冷卻結(jié)構(gòu),以及截面形狀和尺寸等,確定高速電主軸最佳冷卻系統(tǒng)參數(shù)。

1 高速電主軸冷卻流道

1.1 高速電主軸

高速電主軸的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前,除了高速電主軸所使用的T形冷卻流道,主軸用冷卻流道有并聯(lián)冷卻流道、U形冷卻流道、單螺旋冷卻流道、雙螺旋冷卻流道、陣列微流道等[16-17]。

圖1 高速電主軸基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 Basic structure of high-speed motorized spindle

1.2 冷卻流通

U形冷卻流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙,但需要三部分殼體配合組成,在此款高速電主軸上不易實(shí)現(xiàn),陣列微流道加工工藝過于復(fù)雜,冷卻性能有待驗(yàn)證,此處不再對(duì)這兩種流道進(jìn)行研究,其他三種冷卻流道流體模型,如圖2所示。

圖2 冷卻液流體模型Fig. 2 Coolant fluid model

由圖2a可見,冷卻液從入口流入流道,首先由第一主流道分流到各個(gè)分流道,最后在第二主流道合流流出。其中,冷卻液入口和出口分別布置在主軸殼體周向和軸向的對(duì)側(cè)。此冷卻流道制造工藝簡單,成本較低,但是不同位置分流道溫差較大,適用于對(duì)流道冷卻效果要求較低的工作場所。由圖2b可見,冷卻液一般從主軸殼體一側(cè)入口流入,沿著流道方向流下,在殼體對(duì)側(cè)開設(shè)出口處流出。冷卻液流動(dòng)平穩(wěn),但是加工成本較高。由圖2c可見,冷卻液同樣從主軸殼體一側(cè)入口流入,順著流道方向流下,最后經(jīng)過一個(gè)彎路再螺旋流回,從主軸后端出口流出,冷卻液在殼體同側(cè)流出,相當(dāng)于兩條連在一起的但螺旋冷卻流道,加工工藝較單螺旋更加繁瑣,制造成本更高[18-19]。

通過設(shè)計(jì)簡化仿真分析來判斷三種冷卻流道的工作效果,各個(gè)冷卻水套周向冷卻圈數(shù)、截面形狀、截面尺寸以及殼體尺寸均保持一致,在Solidworks中對(duì)并聯(lián)冷卻流道、螺旋冷卻流道、雙螺旋冷卻流道進(jìn)行建模后導(dǎo)入到ANSYS中,入水口流速、溫度等邊界條件設(shè)置相同,水套面熱載荷均為50 kW/m2,三種冷卻系統(tǒng)流體溫升情況見圖3。殼體溫升情況見圖4。殼體徑向熱變形情況見圖5。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的流體溫度云圖Fig. 3 Fluid temperature cloud diagram of different structures

圖4 不同結(jié)構(gòu)的殼體溫度云圖Fig. 4 Shell temperature cloud diagram of different structures

圖5 不同結(jié)構(gòu)的殼體徑向熱變形Fig. 5 Radial thermal deformation of shell of different structures

由圖3可知,單螺旋流道和雙螺旋流道中的流體溫度分布趨勢是按照一定規(guī)律變化的,沿著冷卻液流動(dòng)的方向逐漸升高,分布比較均勻,在冷卻液出口處溫度達(dá)到峰值分別為30.637和30.345 ℃。并聯(lián)流道中冷卻液由第一主流道分流到各個(gè)分流道,最后在第二主流道合流流出,各個(gè)分流道冷卻水流速不同,中間分流流速低于兩側(cè)分流流速,靠近第一主流道側(cè)的溫度低于靠近第二主流道側(cè)溫度,最高溫度出現(xiàn)在第二主流道的中間處為53.376 ℃。由圖4可知,雙螺旋流道冷卻效果最好,殼體最高溫度為52.896 ℃,單螺流道冷卻效果其次,殼體溫度為54.272 ℃,并聯(lián)流道的冷卻效果最差,殼體溫度高達(dá)73.053 ℃。原因在于螺旋流道相對(duì)于環(huán)形流道,流道中冷卻液會(huì)與流道之間產(chǎn)生沖擊,改變流動(dòng)方向,冷卻液與流道接觸部分會(huì)發(fā)生局部環(huán)流現(xiàn)象,從而增加換熱能力,冷卻效果自然得到增強(qiáng)。采用單螺旋流道的殼體與采用雙螺旋流道的殼體溫度相差不大。由圖5可知,采用單螺旋流道的殼體徑向變形量一端為0.007 3 mm,另一端卻達(dá)到了0.043 7 mm,兩端徑向變形量相差為6倍左右,殼體一端幾乎沒有形變,另外一端形變嚴(yán)重。而采用雙螺旋流道的殼體兩端徑向變形量分別為0.013 7和0.038 2 mm,兩端形變量相差3倍左右,且最大形變量小于采用單螺旋流道的殼體。因此可以發(fā)現(xiàn),雙螺旋流道相比單螺旋管道冷卻效果更好、徑向熱變形更加均勻。

通過研究發(fā)現(xiàn),高速電主軸若使用上述三種結(jié)構(gòu),并聯(lián)結(jié)構(gòu)的冷卻效果最差,單螺旋結(jié)構(gòu)與雙螺旋結(jié)構(gòu)的冷卻效果很接近。但是,單螺旋結(jié)構(gòu)冷卻液進(jìn)出口位于對(duì)側(cè),會(huì)造成軸向溫差較大,徑向變形不均勻的情況,且靠近冷卻液出口處最大徑向變形較大,這與目前高速電主軸遇到的技術(shù)難題相同。雖然雙螺旋結(jié)構(gòu)加工工藝復(fù)雜、造價(jià)較高,但由于它具備冷卻性能好,殼體熱變形不存在較高點(diǎn)或者較低點(diǎn),冷卻效果均勻等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注,是目前冷卻流道結(jié)構(gòu)主要的發(fā)展方向。

文中綜合考慮冷卻能力和冷卻均勻性,選擇雙螺旋冷卻流道,對(duì)傳統(tǒng)雙螺旋冷卻流道加以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使其適合高速電主軸的發(fā)熱特點(diǎn)。

2 不同參數(shù)對(duì)換熱特性的影響

2.1 截面形狀

在選定冷卻流道的整體結(jié)構(gòu)后,要考慮如何使冷卻流道發(fā)揮出最佳性能,同時(shí)保證主軸殼體的剛度。為此,需要借助仿真分析手段對(duì)冷卻流道的截面形狀及具體尺寸進(jìn)行選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)。冷卻流道截面形狀的不同也會(huì)對(duì)冷卻效果產(chǎn)生影響,通過對(duì)常見冷卻流道截面的總結(jié),保證冷卻流道截面面積相同,分別采用半圓形、矩形以及一種拱橋形截面對(duì)雙螺旋冷卻流道進(jìn)行三維建模,具體形狀如圖6所示。

圖6 不同截面的形狀Fig. 6 Different cross section shapes

保證與文中邊界條件設(shè)置相同,仿真分析三種不同截面形狀的雙螺旋冷卻結(jié)構(gòu),由于殼體中材料去除量相同,殼體徑向變形量主要受殼體溫度影響,此處僅流體模型和殼體溫度,流體溫度云圖,如圖7所示。殼體溫度云圖,如圖8所示。

圖7 不同截面形狀的流體溫度Fig. 7 Fluid temperature with different cross section shapes

圖8 不同截面形狀的殼體溫度Fig. 8 Housing temperature with different cross section shapes

由圖3c、4c、7和8可知,圓形截面的流體溫度最高為30.345 ℃,殼體最高溫度為52.896 ℃;其次,半圓形截面流體最高溫度為30.172 ℃,殼體最高溫度為52.774 ℃;矩形截面流體最高溫度為29.532 ℃,殼體最高溫度為52.513 ℃;拱橋形截面流體最高溫度為29.323 ℃,殼體最高溫度為52.407 ℃。在四種截面中,圓形截面換熱效果最差,拱橋形截面換熱效果最好。以冷卻液入口為起點(diǎn),以流道螺旋間距為間隔,提取出冷卻液每圈最高溫度,得到四種截面形狀冷卻流道中冷卻液從入口到出口的溫度分布情況,如圖9所示。

圖9 不同截面形狀的冷卻液溫度Fig. 9 Coolant with different section shapes

通過以上分析發(fā)現(xiàn),四種截面形狀的冷卻液的溫度變化趨勢均是沿著流向逐漸升高,這說明截面形狀并不影響冷卻液溫度沿流向的變化趨勢,溫度變化趨勢主要受流道結(jié)構(gòu)影響。采用拱橋形截面的雙螺旋流道換熱效果最好,殼體溫度最低,拱橋形截面的設(shè)計(jì)在保證冷卻液與水套具有較大接觸面積的同時(shí)使水套去除材料較少。但是,文中考慮到拱橋形截面加工工藝復(fù)雜、成本過高,目前,沒有應(yīng)用前例,是否能廣泛應(yīng)用于高速電主軸上仍未可知,經(jīng)過綜合考慮,雙螺旋冷卻流道的截面形狀定為矩形。

2.2 截面尺寸

基于上文分析可知,雙螺旋冷卻流道最終選擇矩形截面作為流道截面,接下來需要設(shè)計(jì)冷卻流道的螺旋圈數(shù)和截面尺寸。雙螺旋冷卻流道參數(shù)示意,如圖10所示。圖中,L為冷卻水套總長,lp為流道軸向長度,D為流道螺旋直徑,a為流道寬度,b為流道深度。

圖10 雙螺旋流道參數(shù)示意Fig. 10 Schematic of double helix channel parameters

選擇流道螺旋圈數(shù),利用牛頓冷卻公式求得冷卻液與冷卻流道的具體換熱系數(shù)和冷卻液流速[20-21]。冷卻液在流動(dòng)過程中流速、溫度發(fā)生改變,但是不會(huì)發(fā)生流態(tài)和物態(tài)變化。采用矩形截面的螺旋流道中水力直徑[22-23]為

(1)

(2)

式中:S——橫截面面積,m2;

C——為橫截面周長,m;

A——冷卻流道的總換熱面積,m2;

n——流道螺旋圈數(shù)。

聯(lián)立式(1)和(2)可得

(3)

式中,Ф——總換熱量。

在總換熱量Ф和流量Q已知的情況下,Δt越大,代表冷卻液對(duì)流換熱的能力越弱,殼體溫度越高,冷卻效果越差;Δt越小,代表冷卻液對(duì)流換熱的能力越強(qiáng),殼體溫度越低,冷卻效果越好。與高速電主軸所配套的冷卻水套總長L為280 mm,冷卻流道軸向長度lp為245 mm,螺旋直徑D為76 mm,需要基于以上三種不可改變的流道基本參數(shù)進(jìn)行冷卻流道的截面尺寸設(shè)計(jì),結(jié)合上述公式及仿真結(jié)果可以得到,流道螺旋圈n與最大溫差Δt的關(guān)系,如圖11所示。

圖11 螺旋圈數(shù)對(duì)冷卻液換熱的影響 Fig. 11 Influence of spiral coil number on heat transfer of cooling fluid

從圖11可以發(fā)現(xiàn),隨著螺旋圈數(shù)改變,冷卻液溫度約降低了5 ℃,冷卻液最大溫差一開始受螺旋圈數(shù)影響比較明顯,在螺旋圈數(shù)大于8后,影響較小。由于截面面積保持不變,螺旋圈數(shù)增加,冷卻流道的換熱面積增大、換熱能力增強(qiáng),所以達(dá)到穩(wěn)定后冷卻液的最高溫度降低。考慮到冷卻流道圈數(shù)的增加后,冷卻液換熱面積增加的同時(shí)冷卻水套去除材料變多,抵抗變形能力將會(huì)降低,當(dāng)螺旋圈數(shù)大于8圈時(shí),冷卻液的最大溫差沒有明顯變化,選定冷卻流道螺旋圈數(shù)n為8。

設(shè)計(jì)流道截面尺寸,流道截面尺寸對(duì)冷卻液換熱能力的影響,如圖12所示。

圖12 流道截面尺寸對(duì)冷卻液換熱的影響Fig. 12 Influence of cross section size of flow channel on heat transfer of cooling fluid

由圖12可見,隨著冷卻流道的寬度和深度的增加,最大溫差呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,流道寬度相對(duì)于流道深度對(duì)最大溫差影響更加明顯。主軸熱源相對(duì)于冷卻流道來講,位于流道內(nèi)部,流道寬度很大程度決定了冷卻液與熱源的接觸面積,說明冷卻液與熱源的接觸面積對(duì)最大溫差的影響占主導(dǎo)作用。而流道深度的改變并沒有直接影響到冷卻液與熱源的接觸面積,所以流道深度對(duì)冷卻液的最大溫差影響較小,但仍需要適當(dāng)?shù)牧鞯郎疃仁估鋮s水流動(dòng)暢通。流道截面面積同時(shí)取決于流道寬度和深度,截面面積增加到一定程度,將導(dǎo)致冷卻液流態(tài)發(fā)生改變,冷卻液的最大溫差開始上升。

綜合考慮文中對(duì)雙螺旋冷卻流道的設(shè)計(jì)要求,在螺旋進(jìn)水流道需要進(jìn)行充分換熱,側(cè)重考慮換熱能力,所以文中螺旋進(jìn)流道選用冷卻流道截面尺寸為25 mm×3 mm。該尺寸下冷卻液換熱效果最好,尺寸再增加會(huì)影響到冷卻流態(tài),換熱效果反而下降?；诶鋮s水套基本結(jié)構(gòu)尺寸,螺旋冷卻出水流道寬度可選用15 mm×18 mm,由于出水流道冷卻水需要較高流速完成回流,側(cè)重考慮冷卻水流流速,而且在可選定尺寸范圍內(nèi),流道對(duì)換熱能力影響較小,最終出水流道尺寸定為15 mm×3 mm。

3 結(jié) 論

(1)通過仿真分析不同冷卻流道的換熱效果,發(fā)現(xiàn)螺旋冷卻流道的換熱效果明顯優(yōu)于并聯(lián)流道,但采用單螺旋流道的殼體會(huì)出現(xiàn)變形不均勻的情況。

(2)不同冷卻截面的換熱效果由好至壞依次為拱橋形截面、矩形截面、半圓形截面和圓形截面,但拱橋形截面存在一定的加工難度,在實(shí)際生產(chǎn)加工時(shí),可優(yōu)先考慮矩形截面。

(3)當(dāng)冷卻流道螺旋圈數(shù)大于8時(shí),冷卻效果未有明顯增加,綜合考慮冷卻液換熱效果及流速,當(dāng)螺旋進(jìn)水流道尺寸為25 mm×3 mm,出水流道尺寸為15 mm×3 mm時(shí)可滿足設(shè)計(jì)要求。