高速電主軸單元的熱態(tài)特性分析

魏效玲，時玉冰，李勇，劉夢晗，王劍鋒

(河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲056038)

為了實現(xiàn)高速運轉，獲得更高的生產率，電主軸技術應運而生。電主軸由內置式電動機直接驅動，省略了齒輪和皮帶這種傳統(tǒng)的動力傳動裝置。然而電主軸內置式電動機相當于增加了熱源，電主軸高速運轉時，電動機產生的熱量主要是定子繞組的銅損耗和轉子繞組的鐵損耗造成的，產生的熱量大部分由轉子與定子之間的氣隙傳入定子。此外，對于高速旋轉的轉子，主軸殼體內部的空氣也會產生熱量。熱量主要通過主軸及其殼體向外輻射，除了電機所產生的熱量外，主軸軸承產生的熱量也不容忽視。大量的熱量聚集到軸承，降低了軸承的使用壽命，也會使主軸變形，最終降低其加工精度。

隨著主軸轉速的增加，由于各種摩擦因素產生了大量的熱，而各種摩擦日趨嚴重，熱量積累也越多。隨著電主軸溫度上升，需要的軸承預緊力也相應增大，同時軸承也將生成更多的熱量?？紤]到熱輻射和熱傳遞，主軸軸承必須合理地潤滑與冷卻，否則，它不能保證電主軸的高速運轉。因此對高速電主軸的熱態(tài)特性分析就變得尤為重要了。

1 電主軸系統(tǒng)的結構

本文所設計電主軸系統(tǒng)結構如圖1所示，內置式電機置于前后軸承之間，電機轉子采用過盈配合的方法安裝在主軸上。為了滿足電主軸高速、高剛度、低溫升等設計性能要求，采用角接觸混合陶瓷球軸承支承，即滾球材料用的Si3N4陶瓷，而軸承的內、外圈仍用鋼制材料。前后兩組軸承整體上為背對背安裝，前軸承采用定位預緊固定;后軸承采用彈簧定壓預緊，其軸向可以有微量的移動，以補償主軸工作時的熱伸長。定子和冷卻套作為一體安裝在主軸單元的殼體中，電機采用油—水熱交換系統(tǒng)進行冷卻。

2 電主軸系統(tǒng)產生的熱量

由于該模型是軸對稱結構，因此只需對該模型的一半橫截面進行建模。對系統(tǒng)的元素、材料特性、負載進行選擇，建立有限元模型。高速電主軸系統(tǒng)的有限元模型如圖2所示。電主軸單元產生的熱量包括電機產生的熱量和軸承摩擦產生的熱量。

電機產生的熱量通過功率損耗計算。其中，定子產生的熱量等于功率損耗的2/3，而轉子產生的熱量等于剩余的1/3。角接觸球軸承由于兩種類型的摩擦力產生大量的熱，同時由于潤滑粘度而產生摩擦力矩。其產生的熱量為HF=M·ω。

軸承運轉過程中產生的熱量為Hs=?roll·其 中?roll=?·σ。表1中給出了主軸單元各部分產生的熱量。

表1主軸單元各部分產生的熱量Tab.1 Details for finding spin moment

3 電主軸系統(tǒng)的熱對流

熱對流是物體表面與周圍接觸的流體之間由于溫差存在而產生的熱量交換。其中，有以下幾點。

角接觸混合陶瓷球軸承中滾珠與潤滑劑間的熱對流(hb)

電機轉子與空氣間的熱對流(hr)

冷卻劑與空氣間的熱對流(hc)

電主軸的溫度分布和熱性能分析如圖3和圖4所示。

表2中顯示了主軸系統(tǒng)各部分的熱對流。

表2主軸系統(tǒng)的熱對流Tab.2 Convection in spindle parts

4 電主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性分析

從以上熱態(tài)性能中可以分析得出熱感應預載荷，并計算得出相應的強度和臨界速度。每一種模式的臨界速度都不一樣，因為預載荷是由時間來決定的。因此，時間增加了，固有頻率也會隨之增加，熱感應預載荷就會對臨界速度的提升有積極作用，即在軸承不產生故障的情況下，獲得更高的速度。這對增加工作時間似乎是一種好的效果，但是，經過長時間的運行，過多的熱感應預載荷會使材料引起熱偏移，使軸承產生故障。因此，軸承的制作材料必須有更好的熱穩(wěn)定性，以便承受更高的溫度。

臨界速度可以通過分析得到的坎貝爾圖表來計算得到，這些計算結果的條件是在10 000 r/min和5 000 s范圍內。瞬態(tài)熱態(tài)特性分析用來計算溫度、徑向和軸向偏差，以及熱感應預載荷。從圖5中可以看出，顯示穩(wěn)定狀態(tài)已經達到6.5h。主軸端部的徑向和軸向偏差如圖6、圖7、圖8、圖9所示，從圖可知電主軸的熱變形情況。

5 結論

1)為了獲得更多的預載荷，應該考慮熱感應預載荷的影響。

2)由熱感應預載荷和防松螺母提供的預載荷，也用來提高臨界速度，以便有更大范圍的運行速度。已計算出熱感應預載荷和與之相對應的固有頻率，也就是提高了臨界速度，以致在不同時間，當達到10 000 r/min時，電主軸有更大范圍的運行速。

3)通過確定電主軸系統(tǒng)的溫度分布、主軸端部的徑向和軸向偏移，掌握其熱變形，從而可以采取更有效、針對性的冷卻和補償措施，提高電主軸加工過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］陸建忠，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

［2］張伯霖，楊慶東，陳常年.高速切削技術及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［3］魏效玲，李小銳，玉新民，等.數(shù)控機床高速電主軸的熱態(tài)特性分析［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2012，29(4):87 －89.

［4］WANG RH，RAMAN V，NAYAK UV.Head– disk dynamics in the flying，near contact and contact regimes［J］.Proceedings of the symposium on interface nanotribology and nanotechnology for 1 Tbit/in2.vol.11 2001:37－43.

［5］SYATH ABUTHAKEER S，MOHANRAM P V，MOHAN KUMAR G.Dynamic and thermal analysis of high speed motorized spindle［J］.International journal of applied engineering research，dindigul，2011(1):864 －882.

［6］伍建國.內圓磨床床身結構的動態(tài)分析與優(yōu)化設計［J］.精密制造與自動化，2002(2):25 －26.

［7］劉東輝，趙新偉，李元寶，等.無位置傳感器無刷直流電機數(shù)控調速器設計［J］.河北科技大學學報，2013，34(4):302－307.

［8］韓志峰.電主軸熱－結構耦合特性分析［D］.洛陽:河南科技大學，2005.

［9］龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

［10］郭 軍，張伯霖，肖曙紅，等.電機后置式電主軸熱態(tài)特性的分析與研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2004(7):64－67.

［11］黃曉明.高速電主軸熱態(tài)特性的有限元分析［D］.廣州:廣東工業(yè)大學，2003.