高速機床電主軸散熱情況研究

姜楠 林青

摘 要：高速電主軸在內(nèi)、外熱源的作用下，其各部分的溫度有差異，而熱量總是從高溫向低溫處傳遞，三種基本的傳熱方式在電主軸中都存在。定子產(chǎn)生的熱量大部分通過對流由冷卻水或油帶走，而少部分通過對流和輻射傳遞給定子周圍的空氣：轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量一部分通過導熱直接傳遞給主軸和軸承，而另一部分通過對流和輻射傳遞給定子。

關鍵詞：高速機床；電主軸；散熱

1.主軸軸承的油一氣潤滑系統(tǒng)

滾動軸承的滾動體與滾道的接觸面由于摩擦而發(fā)熱，但是又因為導熱且與周圍介質(zhì)對流和熱輻射而冷卻，經(jīng)過多次反復的發(fā)熱和冷卻循環(huán)最終處于熱平衡狀態(tài)。軸承的主要傳熱途徑為對流換熱以及滾動體與內(nèi)外圈的熱傳導。

軸承的潤滑主要是為了降低摩擦力和減小磨損，同時也有冷卻作用，可保證軸承的正常運轉(zhuǎn)，合理的潤滑對提高軸承的性能、延長軸承的壽命有重要的意義。本文所研究的主軸軸承采用的是油-氣潤滑系統(tǒng)來解決高速主軸中陶瓷軸承的潤滑和冷卻問題。油氣潤滑的系統(tǒng)的工作原理如1.1圖所示。

圖1.1油氣潤滑系統(tǒng)示意圖

油-氣潤滑系統(tǒng)是利用具有一定壓力的壓縮空氣和定量輸出的微量潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動，把油氣混合物輸送給安裝在軸承附近的噴嘴，經(jīng)過噴嘴射向軸承內(nèi)圈和滾動體的接觸點實現(xiàn)潤滑和冷卻。油-氣潤滑向大氣排放的僅是空氣因此對環(huán)境沒有污染。油氣潤滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比油霧潤滑時要低得多。試驗證明：使用油-氣潤滑的軸承溫升可比使用油霧脂潤滑時降低9～16°C，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，效果將更加明顯。

油-氣潤滑是新型少油潤滑，雖然所需設備復雜，成本很高，但這些潤滑方式能對每個軸承分別進行精確潤滑，潤滑油利用率極高，軸承發(fā)熱量小，無環(huán)境污染。實驗證明：增大空氣的流量可以在一定程度上提高冷卻的效果，而提高油氣的壓力不僅可以提高冷卻的效果，而且還有利于潤滑油到達潤滑區(qū)域，因此提高油氣壓力有利于提高軸承的轉(zhuǎn)速，加大壓力比常規(guī)壓力進行油氣潤滑可以使軸承轉(zhuǎn)速提高約20%。

接觸區(qū)的熱阻大小由接觸區(qū)的形狀和尺寸決定，也就是與軸承的幾何尺寸以及軸承的內(nèi)接觸力有關。對于混合邊界條件下半空間的熱阻為：

式中為一半空間的導熱系數(shù)，a和b分別為接觸橢圓面長短半軸。對于滾動軸承知道外圈的接觸熱阻，則可以求得所有滾動體到外圈的總熱阻。同樣也可以確定滾動體與內(nèi)圈的熱阻。

2.電機定子油.水熱交換冷卻系統(tǒng)

高速電主軸通常采用油.水熱交換的系統(tǒng)，系統(tǒng)的結構圖一般如圖2.1所示。

油泵連續(xù)輸出大流量的冷卻油，通過電機定子冷卻套的螺旋槽與電機定子產(chǎn)生熱交換，再經(jīng)過輸出回路與水進行熱交換，使油冷卻后流回油池，實現(xiàn)循環(huán)冷卻，根據(jù)電主軸的具體要求可以對電主軸的入口溫度進行必要的設置。

電機定予和冷卻油之間的換熱屬于管內(nèi)流體強迫換熱，冷卻油的不同運動狀態(tài)具有不同的換熱規(guī)律，計算換熱系數(shù)的公式也不同，要先計算出雷諾數(shù)以判別冷卻油的運動狀態(tài)，然后選用合適的計算公式。

圖2.1電主軸油水交換冷卻系統(tǒng)結構圖

雷諾數(shù)是一個無量綱的量，被用于判斷流體層流和紊流，定義為：

式中：

D為幾何特征的定型尺寸，m；u為流體的特征速度，一般取平面的平均速度，且多通過測定流量的方法加以確定，單位為m/s：v為流體的運動粘度，m2/s；f 為下標，表示以流體的平均溫度為定性溫度（多為截面上流體的平均溫度），以管徑D為定型尺寸。工程計算時通常以臨界雷諾數(shù) =2300區(qū)分層流和紊流。雷諾數(shù)大于10000后為旺盛紊流區(qū)，而一般認為2300

對于管內(nèi)強制對流換熱，實際上使用最廣泛的關系式為迪圖斯一貝爾特公式：

在上面公式的使用過程中，當用于加熱流體時取n=0.4，當用于冷卻流體時取n=0.3。該公式適用于流體與壁面有中等以下溫度差的場合，對于氣體一般不超過50°C。當壁面和流體間的溫差不大時，對流體被加熱的情況通常采用的計算式

來確定，式中 為努謝爾特數(shù)， 為普朗多準數(shù)，

上面公式在條件為 >10000，0.760的情況下是適用的，對于水溫度差不超過20～30℃。

對于溫差超過以上推薦幅度的情形，需要對上面的公式進行必要的修正或采用其它形式的公式，其中效果最好的是格尼林斯基公式如下：

式中，l為管長，f為管內(nèi)湍流流動的達爾西阻力系數(shù)，可以按照弗羅年柯公式計算，

，對于液體

當用于液體情況時，可以進一步對上式進行簡化為：

經(jīng)過試驗驗證，上面公式的適用范圍為：

的情況下。

普朗多準數(shù)能夠反映流體的特性，其表達為 ，其中Cp為流體的比熱，

單位為J/（kg·℃）；p為流體密度，單位為kg/m3；λ為流體的導熱系數(shù)，單位為W/m·℃；流體與管壁發(fā)生強迫對流換熱時，若管子的內(nèi)徑和溫差均較小，同時流體又有較大的粘性，則容易出現(xiàn)嚴格的層流，此時對流換熱熱阻較大，換熱系數(shù)遠比紊流時小。

知道努謝爾系數(shù)就可以求出管內(nèi)流體的強迫對流換熱系數(shù) 。對于非圓形截面槽內(nèi)的湍流換熱計算，作為工程處理的一種方法，可以用當量直徑也作為特征尺寸，從而應用上面的公式進行計算。當量直徑按下式計算：

式中A。為槽道的流動截面積，m2； P為潤濕周長，即槽道壁與流體接觸面積的長度。應當指出的是對于長方形截面類通道，采用當量直徑特征作特征長度的方法可以取得滿意的結果；但是當截面上出現(xiàn)尖角的流動區(qū)域時，應用當量直徑方法會導致很大的誤差，需要采用其它方法。

當冷卻油在定子冷卻套的螺旋矩形槽中流動時。螺旋矩形槽的形狀可以展開成截面為矩形的等效油管，這樣就可以計算出冷卻油對定子冷卻套的對流換熱系數(shù)。

3.電機定子、轉(zhuǎn)子的傳熱

轉(zhuǎn)子由芯部產(chǎn)生熱量，一部分通過輻射和氣隙傳遞給定子，一部分傳遞給主軸和軸承，還有部分通過端部傳入周圍空氣。本文所設計的主軸電機沒有對電機進行軸向氣流冷卻，可以計算的雷諾系數(shù)，并判斷流動狀態(tài)。當氣隙有紊流的運動狀態(tài)時，可以計算

。

定子和轉(zhuǎn)子之間間隙很小，鐵芯的長度相等，可以認為定子內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子外表面的面積相等，輻射換熱量可以計算。轉(zhuǎn)予的端部傳熱問題主要是與空氣的對流換熱和輻射換熱。

4.電主軸與周圍空氣的傳熱

工作中高速主軸電機表面是熱的，所以在較大溫差的作用下發(fā)生自由對流換熱，同時還有輻射換熱。這種對流換熱和輻射換熱同時發(fā)生的過程成為復合傳熱，可以根據(jù)

試驗結果選取。

為了減發(fā)熱對主軸性能的影響，特別是對主軸軸承性能的影響，在結構設計的過程中在主軸電機轉(zhuǎn)子與軸承之間安裝了冷卻環(huán)，其結構如

圖4.1中的涂黑部分，可以有效地減小由于電機發(fā)熱對主軸軸承的影響，提高軸承的使用壽命。

圖4.1安裝在轉(zhuǎn)子上的冷卻環(huán)結構示意圖

參考文獻

[1] 楊世銘，陶文銼.傳熱學[M]，北京：高等教育出版社，1998：162—170.