基于ANSYS的高速电主轴温度场分析

摘要

高速电主轴作为高速机床的核心部件,同时也是该类机床的主要热源。在高速机床中,电主轴单元各零件的刚度和精度都比较高,工作负荷却不大,电主轴因切削力引起的加工误差比较小。然而,电主轴中电机的发热和轴承的摩擦发热却是不可避免的,这些热源都会使主轴、轴承产生热变形,从而影响加工精度。这一缺陷大大地限制了高速电主轴的研制与应用。改善电主轴的热态特性,以减少电主轴的温升和热变形是当前电主轴研究的主要内容之一。本文首先对电主轴的结构特点及散热特性进行了介绍,随后对电主轴电机发热进行了分析,对轴承的摩擦发热应用局部法进行了研究,并给出了电主轴的热载荷、热边界条件的计算方法;最后对本课题所用的电主轴的热态特性利用ANSYS有限元分析软件进行了有限元分析,通过实验对其准确性进行了验证。实验证明采用局部法对轴承进行摩擦发热计算是非常可靠的,为计算电主轴温度场研究提供了准确的热载荷。为改善该电主轴的热特性,提出了三种改进措施:一是增加对电机及主支承部分的轴向压缩空气强迫对流换热;二是对主轴轴心采用冷空气冷却方式;三是考虑让油在冷却槽内的流态处于湍流状态,以提高螺旋冷却槽流体一结构边界的对流换热系数和换热能力。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高速电主轴的发展现状及发展趋势

1.2.1 电主轴概述

1.2.2 高速电主轴的发展现状

1.2.3 高速电主轴的发展趋势

1.3 高速电主轴热态特性的国内外研究现状

1.3.1 电主轴热态特性国外研究现状

1.3.2 电主轴热态特性国内研究现状

1.4 本课题的来源与主要研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 课题研究的主要内容

第2章 高速电主轴的结构与热态特性

2.1 高速电主轴的结构

2.1.1 高速电主轴结构图

2.1.2 主轴电机

2.1.3 主轴轴承

2.1.4 主轴轴承的油——气润滑系统

2.1.5 电机定子油——水热交换冷却系统

2.2 高速电主轴的热态特性

2.2.1 主轴的热变形机理

2.2.2 高速电主轴的热源

2.2.3 高速电主轴的散热分析

2.3 本章小结

第3章 高速电主轴热源的发热计算

3.1 电机定子和转子的发热计算

3.1.1 机械损耗

3.1.2 电损耗

3.1.3 磁损耗

3.2 混合陶瓷球轴承的发热

3.2.1 滚动轴承摩擦生热

3.2.2 高速角接触球轴承的受力分析及接触负荷的计算

3.2.3 球的自旋角速度、公转角速度和自旋摩擦力矩计算

3.2.4 球与滚道的差动滑动速度计算

3.2.5 保持架与套圈引导面之间的滑动摩擦力和相对滑动速度计算

3.2.6 球的润滑摩擦力计算

3.2.7 轴承预紧方式对轴承发热的影响

3.2.8 轴承发热实例计算与ANSYS有限元仿真分析

3.3 本章小结

第4章 高速电主轴的传热机制

4.1 轴承与油——气润滑系统中压缩空气的对流换热

4.2 电动机与油——水热交换系统冷却油间的对流换热

4.3 电动机转子的换热

4.4 电主轴前、后密封环的对流换热系数

4.5 电主轴与周围空气的换热

4.6 本章小结

第5章 高速电主轴热态特性的有限元分析

5.1 ANSYS在传热学中的应用

5.1.1 ANSYS软件应用

5.1.2 ANSYS热分析的基本理论

5.1.3 ANSYS热分析的基本步骤

5.2 高速电主轴热载荷的计算

5.2.1 电机的生热率

5.2.2 轴承的生热率

5.3 高速电主轴边界条件的确定

5.3.1 电主轴内部传热系数

5.3.2 电主轴外表面与周围环境的对流换热系数

5.3.3 电主轴前、后密封环的对流换热系数

5.3.4 电主轴冷却套与循环冷却油之间的对流传热

5.4 高速电主轴的稳态热分析

5.4.1 几何模型的构建

5.4.2 单元类型的选择与网格划分

5.5 高速电主轴的瞬态热分析

5.6 降低高速电主轴温升,改善温度场分布的措施

5.7 高速电主轴温度场试验

5.7.1 实验方案

5.7.2 实验原理

5.7.3 实验设备

5.7.4 实验平台的搭建

5.7.5 试验具体步骤

5.7.6 实验数据和仿真数据的对比

5.8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文