基于有限体积法的高速电主轴热态特性分析

摘要

高速电主轴作为高速机床的核心部件，它的性能直接影响到机床加工精度。高速电主轴配有内置式电机，省去了动力传输环节，实现“零传动”。这种形式的高速电主轴具有结构紧凑，振动小，良好的响应特性等优点。但由于这种内置电机的电主轴在高转速下工作，因而其热特性成为研究的热点问题之一。
　　本文所用高速电主轴在6000r/min运转时，发生了轴承烧伤的现象，分析其主要原因是在未达到要求的动平衡精度的条件下润滑不充分，因此需要深入研究冷却润滑系统中的流体对于高速电主轴的热态特性的影响，从而提出合理的主轴使用策略，更有效地控制主轴温度。本文主要研究了高速电主轴热源的热态特性，特别是冷却润滑系统中的流体对热源热态特性的影响。
　　首先，系统的研究了高速电主轴的热源及其发热机理，计算了陶瓷角接触球轴承在不同转速下的发热量，以及影响轴承发热因素和规律，并用MATLAB编制计算轴承发热量的程序，此外简要分析了高速电主轴传热及散热机制。
　　其次，结合有限体积法软件，建立电主轴热源模型，分析得出电主轴电机内部螺旋水道中三维流体流场分布规律及其对热源的影响规律；分析得出电主轴轴承腔内油-气两相流体流场分布规律，及其对热源的影响规律。
　　最后，通过开展现场动平衡实验，来提高电主轴的动平衡精度，研究高速电主轴动平衡精度对其温升的影响；为电主轴制定了合理的冷却润滑参数，对电主轴进行现场温升实验，验证了冷却润滑参数的合理性。

目录

基于有限体积法的高速电主轴热态特性分析

THERMAL CHARACTERISTICS RESEARCH ON HIGH SPEED MOTORIZED SPINDLE BASED ON THE FINITE VOLUME METHOD

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 国内外高速电主轴研究概况

1.3 国内外高速电主轴单元热特性研究概况

1.4 课题主要研究内容

第2章 高速电主轴结构热源及散热分析

2.1 高速电主轴的结构

2.2 电主轴内置电机产热分析

2.3 轴承产热分析

2.4 高速电主轴传热及散热分析

2.5 本章小结

第3章 高速电主轴热态特性的有限体积法分析

3.1 有限体积法原理

3.2 高速电主轴电机冷却系统热特性分析

3.3 高速电主轴轴承热态特性分析

3.4 在轴承腔中的油气两相流流场分析

3.5 本章小结

第4章 电主轴温升测试实验研究

4.1 高速电主轴现场动平衡实验

4.2 高速电主轴温升实验

4.3 本章小节

结 论

参考文献

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致 谢