高速电主轴温度分布及其影响因素(下）
2018-10-12 来源：转载 作者：吴玉厚，崔向昆，孙 红，张丽秀，张 珂
摘要 ：目的 分析 70SD30 电主轴温度场分布情况，为提高主轴加工精度提供理论依据． 方法 建立电主轴数学模型及 1 /4 三维几何模型，实验验证电主轴模型的可靠性． 利用 COMSOL 软件模拟电主轴的温度分布，研究主轴转速、径向磨削力对电主轴温升的影响． 结果 电主轴的最高温度出现在后轴承处，温度为 47． 7 ℃; 电主轴最低温度出现在冷却水水道处，温度为 16． 2 ℃; 转子到定子间的空气温度迅速递减; 在冷却液流量达到 0． 35 m3/ h 时，对比电主轴后轴承外表面处温度的实验数据与模拟数据，平均温差为 0． 25 ℃，误差为 1． 3% ． 结论 轴承和转子处于高温区，由于轴承发热率大，而后轴承所处位置的结构不利于散热，导致后轴承温度最高; 由于定、转子间隙的传热系数低，致使转子到定子的温度急剧降低; 转速对后轴承温升影响最大，而磨削力对前轴承温升影响最大．
关键词 ：电主轴; 温度场; 冷却液流量; 径向磨削力
2 、模拟结果及分析
2． 1 实验验证
电主轴温升测试装置由高速电主轴测功机、冷却控制系统、性能测试系统、异步测功机控制电源、空气压缩机装置、油气润滑装置等组成( 见图 3) ． 在电主轴外表面的轴头、轴心、轴尾处分别连接 10 个温度传感器，对电主轴外表面温度进行测试( 见图 4) ．
图 3 电主轴系统组成
图 4 电主轴温升测试平台
在环境温度 16 ℃，主轴转速12 000 r/min，冷却水水温 15 ℃时，实验研究冷却水流量对电主轴外表面后轴承位置处温升的影响，并与模拟结果对比，结果见图 5．
图 5 实验与模拟对比曲线
从图 5 中可以看出，模拟中，随着冷却水流量的增加，电主轴温度出现一个先下降到基 本 不 变 的 趋 势． 在 冷 却 水 流 量 小 于0. 35 m3/ h时，电主轴温升受冷却水流量的影响较大，温度下降速率较快，这是由于随着冷却水流量的增加，冷却水水道表面的散热系数不断增加，冷却水对电主轴的降温效果比较明显． 当冷却水流量大于 0． 35 m3/ h 时，电主轴温升基本不受冷却水流量的影响，这是由于过高的冷却水流速不能有效地带走定子产生的热量． 实验中，电主轴温度随着冷却水流量的增加逐渐降低，在流量达到0． 35 m3/ h之后，电主轴的温度基本不变． 对比实验与模拟的结果，得到平均温差为 0． 25 ℃，误差为1． 3% ，在允许的误差范围之内，实验与模拟的结果接近一致，模型可靠．
2． 2 温度场分布
将初始条件、热源发热率、散热系数等边界条件施加在 COMSOL 软件中，得到稳态下170SD30 电主轴的温度分布情况( 见图 6) ．从图 6 中可以看出，轴承和转轴的温度较高，定子和外壳的温度较低． 电主轴的最高温度出现在后轴承处，温度为 47. 7 ℃． 这是由于轴承受黏性摩擦力矩和预紧力的影响，产热较多，且电主轴在后轴承处的结构不利于散热，热量在轴承处积累，导致后轴承处温度最高．
图 6 170SD30 电主轴温度场分布
转轴温度为 45. 91 ℃，轴承和转子通过热传导的形式将热量传递给转轴，而转轴处于电主轴的中心，只能通过油气润滑系统带走少部分热量，所以转轴的温度略高． 定子的温度为 20. 01 ℃，这是由于定子受冷却水强制对流换热的影响，冷却水流经冷却水水道，将定子产生的大部分热量带走，导致定子温度较低，定转子间产生很大的温差． 电主轴前轴承位置外表面处的温度为 30. 57 ℃，与实验温度相差 0. 4 ℃，电主轴后轴承位置外表面处的温度为 34. 68 ℃，与实验温度相差0. 2 ℃ ，后轴承温度高于前轴承，这是由于电主轴内部热源通过热传导的形式将热量传递给外壳，且前后轴承的产热较多，导致电主轴外表面轴承处的温度较高．
图 7 为定、转子间隙处的温度分布． 由图7 可得转子外表面的温度较高，定子内表面的温度较低，定、转子之间存在很大的温差，这是由于冷却水对定子的强制对流换热导致定子处温度较低． 定、转子之间存在 0. 3 mm的间隙，转子只能以自然对流换热的形式进行散热，热量不能及时的散发，导致转子处温度较高． 定子到转子之间的温度逐渐递增，充分表现了空气在定、转子间隙处的温度梯度变化过程，且受空气流动的影响，温度传递速度加快.
图 7 定转子间隙处的温度分布
2． 3 主轴转速的影响
在电 主 轴 额 定 转 速 下，分 别 对 转 速5 000 r / min、10 000 r / min、15 000 r / min、20 000 r / min、25 000 r / min 时的电主轴前轴承、后轴承、转轴、转子外表面 4 个位置进行温度测量，转速对电主轴不同位置温升的影响曲线见图 8．
图 8 转速对电主轴不同位置温升的影响
从图 8 中可以看出，4 个位置的温度随着主轴转速的增加不断上升，后轴承温升受主轴转速的影响最大，温度上升速率最快，前轴承次之，这是由于轴承发热量直接受主轴转速的影响，转速越高，轴承发热量越大，温度升高越快． 转轴和外壳的温升最小，转轴处的温升相对于前后轴承较小，这是由于转轴不是热源，它的热量是通过轴承和转子以热传导的形式传递的． 转子外表面温升受主轴转速影响最小，这是由于转子不与轴承直接接触，温度传递速率较慢，且转子受油气润滑系统压缩空气对流换热的影响，将部分热量带走．
2． 4 径向磨削力的影响
在电主轴额定转矩 M额= 4. 8 N·m 的情况下进行磨削加工时，主轴前端所承受的最大径向力 Fr= M额r = 196 N． 在最大径向力下，取一组数据 0、50 N、100 N、150 N． 不考虑电主轴刚性的影响，在最大径向力之外，取一组数据 200 N、250 N、300 N、350 N． 外圆磨削时，轴向磨削力的值相对于径向磨削力较小，一般可不考虑，将两组径向磨削力分别加到转轴端部，研究径向磨削力对电主轴不同位置温升的影响，结果见图 9．
图 9 径向磨削力对电主轴不同位置温升的影响
从图 9 中可以看出，前轴承温升受磨削力影响最大，每增加 50 N 的磨削力前轴承温度升高 0. 3 ℃，后轴承次之． 这是由于主轴端部受力时，前轴承分解的力要大于后轴承，且轴承发热直接受磨削力影响，磨削力越大，轴承处受到的载荷力矩越大，轴承发热量越大，温度升高越快． 转轴处温升受磨削力影响不大，转子外表面受磨削力影响较小，这是由于随着磨削力的增加，前后轴承发热量增加，转轴与轴承直接接触，热量传递速率较快，转子相对于转轴不与轴承直接接触，且在电主轴运行过程中受压缩空气对流换热的影响，温升速率较慢．
3、 结 论
(1) 170SD30 电主轴的受力特点是前轴承大于后轴承，但由于后轴承所处位置的结构不利于散热，导致后轴承温度反而高于前轴承．
(2) 轴承和转子处于高温区，后轴承区域温度最高; 从转轴到转子、到定子、到水套、再到外壳温度逐渐降低; 由于定、转子间隙空气传热系数低，致使从转子到定子的温度急剧降低．
(3) 随着转速和磨削力的增大，电主轴温度升高; 转速增加，后轴承的温升梯度最大; 而磨削力增加，前轴承的温升梯度最大.
来源：沈阳建筑大学机械工程学院， 沈阳建筑大学交通工程学院，
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