基于流-固-热耦合的电主轴热特性仿真分析与实验研究

摘要

电主轴技术的应用极大的促进了机床行业的发展,但是电主轴的发热问题严重制约着精密机床的加工精度。研究电主轴热特性,合理控制主轴发热,降低主轴热变形,改善主轴系统应力分布,对电主轴热特性研究具有重大意义。本文从电主轴的生热模型,有限元流-固-热耦合仿真分析和实验测试三方面对电主轴热特性进行研究,主要工作如下:
　　通过对电主轴的热源研究,分析电主轴的发热特点、热变形机理和散热方式。建立两种电机生热模型,分析不同建模方法的适用条件。从轴承生热经验公式入手,综合考虑主轴功率、转速、润滑方式等因素对轴承生热的影响,给出切实可用的计算依据。
　　根据电主轴流-固-热耦合原理,使用有限元软件Workbench对影响电主轴热特性的主轴转速、冷却液流量、冷却液入口温度、轴承预紧力等因素进行仿真分析。获得特定工况下,电主轴最佳的冷却液流量和入口温度,有限元仿真分析结果可为电主轴热平衡设计提供依据。提出一种冷却系统建模方法和有限元模型简化流程,对不同热载荷以及边界条件进行计算,验证主轴热特性有限元分析的准确性。
　　搭建包括由基于NI温度与热变形采集模块的温度和热变形测试系统、红外热像仪、应力/应变仪测试系统为基础的主轴热特性测试系统。通过电主轴热特性实验研究,测试电主轴系统的温度场分布,主轴热变形规律和热应力分布特点,掌握不同工况下电主轴的冷却策略。通过实验数据与有限元仿真结论对比分析,验证有限元仿真分析的合理性与有效性。
　　上述研究方法和研究结果可以应用于电主轴热平衡设计和电主轴的热特性研究。

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第一章 绪论

1.1课题研究的目的和意义

1.2电主轴技术发展现状

1.3电主轴热特性国内外研究现状

1.4课题的主要研究内容

1.5本章小结

第二章 电主轴生热机理研究与建模

2.1电主轴的热态特性

2.2主轴电机生热模型

2.3主轴轴承生热模型

2.4本章小结

第三章 基于流-固-热耦合的电主轴热特性有限元建模

3.1电主轴流-固-热耦合原理

3.2电主轴模型简化处理

3.3电主轴有限元网格划分

3.4电主轴有限元热载荷施加

3.5电主轴边界条件施加

3.6本章小结

第四章 电主轴流-固-热耦合仿真数据分析

4.1电主轴恒定转速数据分析

4.2转速对电主轴热特性的影响

4.3冷却液入口温度对电主轴热特性的影响

4.4冷却液流量对电主轴热特性的影响

4.5预紧力对电主轴热特性的影响

4.6本章小结

第五章 电主轴热特性实验研究

5.1电主轴及机床关联部位温升测试

5.2电主轴热变形测试

5.3电主轴应力应变测试

5.4电主轴热特性实验结果分析

5.5实验与仿真结果对比分析

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2后续工作展望

参考文献

发表论文和科研情况

致谢