高速電主軸冷卻水參數對其溫度場的影響研究
2018-10-18 來源： 沈陽建筑大學 高檔石材數控加工裝備與 作者：張麗秀，李超群，李金鵬，吳玉厚
摘要: 以 COMSOL Multiphysics 有限元分析軟件為工具，建立 170SD30-SY 型電主軸水冷系統有限元模型，并對不同水流量下水冷系統溫度場進行仿真; 搭建水冷系統溫升實驗平臺，分別對不同轉速下的電主軸水冷卻系統參數與電主軸溫度的關系進行實驗。研究結果表明: 不同轉速下，隨著冷卻水流量的增加，電主軸溫度有不同程度的降低; 冷卻水流量為 0．28 m3/ h ～ 0．30 m3/ h 時，冷卻效果均為最佳選擇; 同時，通過改變冷卻水初始溫度來控制電主軸溫升具有更直接效果。
關鍵詞: 電主軸; 水冷系統; 有限元模型; 溫升實驗
高速電主軸是數控機床的心臟，是保證機床工作精度的關鍵部件，其技術的高低、性能的優劣以及單元的配套水平，都決定和影響著數控機床的發展速度。電主軸高速運轉過程的電機損耗發熱是其內部主要熱源之一，大量的熱量導致不均勻的主軸零件熱膨脹或刀具變形，影響電主軸的精度甚至軸承的預緊力，進而影響機床的加工精度及使用壽命。高速電主軸常用的冷卻方式為水套冷卻，該水冷系統的散熱效率決定了電主軸整機溫度場，因此其系統參數的選取至關重要。近年來，大量學者對電主軸冷卻系統的各項參 數 的 優 化 選 擇 做 了 很 多 努 力。 BrailsonMansingh 等通過數值分析和三維仿真，設計出的矩形冷卻環路能夠更有效的降低電主軸溫升。西南科技大學采用熱-結構耦合的方法分析出電主軸熱變形是影響加工精度的一個重要原因。張珂等通過有限元軟件模擬仿真出不同冷卻水道對電主軸溫度場的影響，得出水道最佳寬度為 4 mm; 芮執元等采用正交實驗法對電主軸電機發熱功率與冷卻液流速進行分析，得出改變冷卻液流速能使電主軸溫度降低 5 ℃ ～ 8 ℃ 。陳文華等運用有限元分析軟件對在不同環境溫度、冷卻水等條件下的螺旋型水套進行了分析得出，適當的冷卻水流速對電主軸電機的溫升有很好的控制作用，且環境溫度不是影響電主軸溫升的主要因素。儲澤楠等通過對電主軸的水冷系統研究得出，選擇合適的冷卻水道尺寸、增加冷卻水流量及改變冷卻水的溫度都可有效降低電主軸定子溫度。
以上研究大多直接通過理論計算得出定子生熱量、冷卻水與水套間的換熱系數等，模型的預測精度較低，且沒有進一步分析冷卻水流量及其溫度對電主軸溫升的直接影響，因此相關研究成果的實際應用受到限制。通過搭建 170SD30-SY 型電主軸水冷系統溫升實驗平臺，對不同轉速下冷卻水流量對電主軸溫度場的影響進行實驗研究; 運用有限元仿真軟件 COMSOL Multiphysics 建立電主軸水冷系統溫升預測模型，仿真不同轉速下電機定子在不同水流量的溫度場。結果表明，冷卻水流量存在最佳工作區間，且冷卻水初始溫度對電主軸溫度場影響較大。
1、 電主軸水冷系統有限元仿真模型
1. 1 冷卻系統對流換熱理論
電主軸在高速運轉時的主要冷卻方式是水冷系統對電主軸定子的冷卻。在冷卻水道一定的情況下，如果流速過小，冷卻水不能對電機定子充分冷卻; 如果流量過大，冷卻水可能來不及帶走熱量，電主軸溫升不能得到有效控制，同時過大的流速將消耗更多的能量，因此選擇合適的冷卻水流量對電主軸溫度場的精確控制具有直接意義.
根據流體力學和傳熱學理論可得，流道內水流為湍流時，對流換熱熱阻較小，即換熱系數比層流時大，所以直接選擇電主軸冷卻水流態為湍流時的流量為研究對象，可以推導電主軸水套中冷卻水流量對電機定子表面與冷卻水之間的換熱系數影響的關系式，即
選 170SD30-SY 型電主軸冷卻系統水套為研究對象，即水套長 128 mm，外徑 136 mm，內徑120 mm，水道寬 4 mm。當電主軸轉速為 10 000 r/min 時，由式( 1) 和式( 2) 可得定子溫度與冷卻水流量的關系。
圖 1 電主軸定子溫度與冷卻水流量理論關系
從圖 1 可以看出，隨著水流量的增加，溫度呈下降趨勢，但考慮隨著水流量增加將加大能量消耗。所以，對應不同的工作轉速，電主軸需要選取使溫度變化梯度較小的冷卻水流量作為最佳工況參數。
1. 2 電主軸有限元模型及溫度場仿真
從式( 1) 和式( 2) 可以看出，冷卻系統換熱理論是基于換熱系數為媒介的水冷系統溫度計算，只考慮到冷卻水流量對電主軸溫度場的影響，實際工作中的換熱系數還與冷卻水溫度有關; 而有限元仿真得水冷系統溫度場是基于冷卻水流量和冷卻水溫度對其換熱系數綜合影響的計算。建立的 170SD30-SY 型電主軸電機的冷卻系統模型，如圖 2 所示。在保證計算精度的前提下，將冷卻水、水套、定子簡化為圓筒裝配，忽略所有的螺釘、通氣孔、通水孔及其一些細小結構。運用 COMSOL Multiphysics 有限元軟件建立電主軸水冷系統模型。假設電主軸運行環境溫度 T0= 14 ℃ ; 水冷系統進水口溫度 Tw= 12 ℃ ;由油氣潤滑系統壓縮空氣進氣壓力為 0. 37 MPa，轉子外表面半徑為 39. 5 mm，定轉子間隙為 0. 5 mm 可得 到，定 子 內 壁 與 轉 子 間 氣 隙 的 換 熱 系 數 為196 W / (m2·℃); 其他與空氣接觸部位的換熱系數取復合換熱系數 9. 7 W/( m2·℃)［。材料各項屬性如表 1 所示，模型采用自由剖分四面體網格。其中，冷卻水模型四面體單元個數60 799，棱形單 元個數 85 380 個，最大 單元尺寸0. 291 9 mm，最小單元尺寸 0. 054 24 mm。水冷系統模 型 四 面 體 單 元 個 數 162 750，棱 形 單 元 個 數120 120個，最大單元尺寸 3. 33 mm，最小單元尺寸0. 217 mm。在電主軸轉速為 5 000 r / min、8 000 r / min、10 000 r / min、12 000 r / min 時，冷 卻 水 流 量 取0. 26 m3/ h、0. 28 m3/ h、0. 30 m3/ h、0. 34 m3/ h、0. 38 m3/ h，分別進行有限元仿真計算。
圖 2 水冷系統三維模型
表 1 模型中材料的參數
從圖 3 可看出: 電主軸轉速為 5 000 r/min 時，隨著冷卻水流量的增加，定子、水套、冷卻水穩態溫度分別降低 2. 6 ℃、2. 6 ℃、1. 3 ℃; 電主軸轉速為8 000 r / min時，定子、水套、冷卻水穩態溫度分別降低3. 8 ℃ 、3. 79 ℃ 、1. 8 ℃ ; 電主軸轉速為 10 000 r / min 時，定子、水 套、冷 卻 水 穩 態 溫 度 分 別 降 低 4. 3 ℃、4. 31 ℃ 、2. 08 ℃ ; 電主軸轉速為 12 000 r / min 時，定子、水 套、冷 卻 水 穩 態 溫 度 分 別 降 低 4. 3 ℃、4. 48 ℃ 、2. 18 ℃ 。即轉速越高，冷卻水流量對電主軸系統的降溫效果越明顯。水冷系統各部位溫度均下降且趨勢一致，但考慮到實際生產中的能耗比，水流量在 0. 28 m3/ h ～ 0. 30 m3/ h 之間時即可保證電主軸溫度正常工作，所以，可選擇保證電主軸溫度下降梯度較小的流量范圍作為最佳選擇。
圖 3 不同轉速下電主軸水冷系統溫度與冷卻水流量的關系
從圖 4 可看 出: 冷卻 水流 量為 0. 28 m3/ h 和0. 30 m3/ h 時，電主軸轉速為 5 000 r / min 時，溫度下降梯度最小為 0. 4 ℃; 轉速為 8 000 r/min 時，溫度下降梯度最小為 0. 6 ℃; 轉速為 10 000 r/min 時，溫度下降梯度最小為 0. 6 ℃; 轉速為12 000 r/min時，溫度下降梯度最小為 0. 7 ℃。
圖 4 不同轉速下電主軸水冷系統等溫線圖
2、 電主軸水冷系統溫升實驗
圖 5 電主軸溫升測試裝置
為了證明電主軸水冷系統參數對其溫度場的影響，搭建如圖 5 所示的電主軸水冷系統溫升實驗平臺。該實驗平臺可通過電磁閥調控冷卻水流量，通過制冷機調控冷卻水初始溫度。測試時，分別在電主軸前后軸承位置及兩軸承跨距中間位置布置共計30 個溫度傳感器，對電主軸各部位進行溫度測量，并運用紅外溫度測量儀測量軸頭溫度變化。
2. 1 電主軸溫升實驗
實驗條件與仿真條件一致，且空壓機壓力為0. 72 MPa，油氣潤滑系統進氣壓力調為 0. 37 MPa，供油間隔為 3 min，每次噴油量為 12. 33 mm3; 環境溫度為 T0= 14 ℃ 左右; 冷卻水流量為 0. 26 m3/ h0. 28 m3/ h、0. 30 m3/ h、0. 34 m3/ h、0. 38 m3/ h，初始溫度 Tw= 12 ℃ ; 電主軸空載，轉速分別為5 000 r / min、8 000 r / min、10 000 r / min、12 000 r / min，測量電主軸運行過程中的溫度變化，實驗進行中間隔 20 s 自動記錄一次實驗數據。選取其中同一傳感器溫度數據做對比，實驗結果如圖 6 所示。
圖 6 不同轉速下冷卻水流量對電主軸溫度的影響
從圖 6 可看出: 隨著冷卻水流量的增加，電主軸轉速 為 5 000 r/min 時，電 主 軸 穩 態 溫 度 降 低1. 45 ℃ ; 轉速為 8 000 r / min 時，電主軸穩態溫度降低1. 67 ℃; 轉速為 10 000 r/min 時，電主軸穩態溫度降低 1. 25 ℃; 轉速為 12 000 r/min 時，電主軸穩態溫度降低0. 87 ℃。電主軸轉速為 5 000 r/min，冷卻水流量0. 28 m3/ h時電主軸溫度最低; 電主軸轉速為8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min，冷卻水流量 0. 30 m3/ h 時電主軸溫度最低。
2. 2 冷卻水初始溫度對電主軸溫度的影響
考慮到冷卻水初始溫度是水冷系統影響電主軸溫度的參數之一。在電主軸轉速為 10 000 r/min時，其他實驗條件保持不變，通過調節冷卻水的初始溫度，進行電主軸溫升實驗。實驗結果如圖 7 所示。
圖 7 冷卻水初始溫度對主軸溫升的影響
從圖 7 可以得出: 冷卻水初始溫度從 15 ℃ ～19 ℃ 變 化 時，電 主 軸 溫 度 從 32. 56 ℃ 上 升 至36. 38 ℃ ，溫差達到 3. 82 ℃ 。因此，冷卻水溫度可直接影響電主軸穩態溫度。
2. 3 冷卻水流量對電主軸溫度的影響
為了驗證仿真結果的有效性，選取電主軸空載運轉 5 400 s，達到穩定狀態下的定子部位實驗溫度與仿真溫度對比，結果如圖 8 所示。從圖 8 可以看出: 不同轉速下，隨著冷卻水流量的增加，電主軸仿真溫度與實驗溫度的變化趨勢一致; 電 主 軸 轉 速 為 5 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r / min、12 000 r / min 時，實驗溫度與仿真溫度平均誤差分別為 1. 874 ℃、2. 086 ℃、2. 88 ℃、2. 41 ℃ ，產生較大誤差是由于定轉子間隙的換熱系數是由文獻中理論公式計算所得，與實際工況中主軸型號等因素有差異，可通過對換熱系數的優化來提高模型精度。
圖 8 實驗溫度與仿真溫度對比
3 、結論
1) 170SD30-SY 型電主軸的最佳冷卻水流量為0. 28 m3/ h ～ 0. 30 m3/ h;2) 冷卻水初始溫度對電主軸溫度場有直接影響作用，必要時，可通過改變冷卻水初始溫度控制電主軸溫升;3) 換熱系數的選取對有限元模型的預測精度有著較大影響，因此對換熱系數的優化值得進一步研究且有實際意義。
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