高速电主轴热特性分析及冷却系统优化设计

庞海峰

宁夏小巨人机床有限公司 宁夏回族自治区 750002

摘要:高速电主轴是精密机床的核心部件，是实现高效精密加工的关键。在实际应用中，高速电主轴产生的热量所引起的热误差高达总误差的60% ~ 80%，是影响精密机床加工精度的主要因素。为保证高速电主轴系统在恶劣工作环境或高速旋转作业中的安全，特别需要为电主轴配备高性能的冷却系统，以保证电主轴具有良好的热特性。国内外电主轴领域的学者都进行了相关的研究。

关键词:高速电主轴热特性分析;冷却系统;优化设计;分析;研究

1高速电主轴热特性研究现状

在工业生产中，由热变形引起的加工误差可高达60% ~ 70%。预测高速电主轴的温度和热稳定性，可以避免热引起主轴和轴承热变形的现象。Palmgreen在大量实验数据的基础上得到了计算滚动轴承摩擦力矩的公式，为轴承摩擦力矩的计算提供了理论基础。Lacey等研究了负载条件下主轴转速、载荷尺寸、润滑参数对高速电主轴温度场的影响，并进行了实验验证研究。E. Uhlmann建立了一个有限元模型，该模型允许对复杂边界条件进行瞬态模拟，以预测高速电主轴的热特性，并通过实验验证了所建立的模型可以有效地预测电主轴的热行为。Bossmans等人利用有限差分法理论建立了主轴的传热模型，但该模型的数值只考虑了热膨胀引起的几何误差变化，没有考虑热变形对轴承动态特性的影响。T. Holkup等通过Fluent仿真计算了转速对电主轴温度分布和变形的影响，并通过实验研究了变形与振动的关系。HuJ建立了高速电主轴热力学计算模型，可以准确计算热膨胀引起的轴承预紧力变化。然而，在模型建立过程中没有考虑电机损耗和加热对轴承预紧力的影响。

国内对电主轴热特性的研究是从模仿国外相关产品开始的。1997年，杨显奇在高速球轴承力学分析的基础上，从轴承内部各种局部摩擦热源出发，开发了高速球轴承摩擦功耗分析程序软件。范孟武等采用有限元法对中、后电机两种配置的电主轴热特性进行了研究。结果表明，后置电机可以实现较低的温升和较小的热变形。高帅等人利用有限元软件研究了油水换热冷却系统热稳定过程中换热系数和水套厚度对高速电主轴温度场的影响，得到了相应的取值范围。饶成晨等建立了陶瓷电主轴的稳态和瞬态热力学模型，研究了其热性能对加工精度和热平衡时间的影响，并实验研究了电主轴的热源和预热对热变形的影响。吴玉侯等人利用COMSOL软件研究了磨削力和转速对电主轴温升的影响，并通过实验验证了所建立的数学计算模型的准确性。陆峰等研究了传热方式和热源位置对电主轴温升的影响，并根据实验数据拟合了电主轴温度和冷却剂参数的数学模型。

2电主轴冷却系统优化设计

2.1冷却通道截面形状对传热特性的影响

冷却通道的不同截面形状也会对冷却效果产生影响。设计高性能的主轴冷却通道，确定整体结构，选择匹配的冷却截面形状是必不可少的工作内容。本节首先总结了常见的冷却通道截面，以保证冷却通道截面积相同，并采用半圆形、矩形和拱桥形截面对双螺旋冷却通道进行三维建模。对三种不同截面形状的双螺旋冷却结构进行了仿真分析。由于壳体内材料去除量相同，因此壳体的径向变形主要受壳体温度的影响。这里只研究了流体模型和壳体温度。圆截面流体最高温度为30.345℃，壳体最高温度为52.896℃;其次，半圆形截面流体最高温度为30.172℃，壳层最高温度为52.774℃;矩形截面流体最高温度为29.532℃，壳体最高温度为52.513℃;拱桥截面流体最高温度为29.323℃，壳层最高温度为52.407℃。

四种截面中，圆形截面传热效果最差，拱桥截面传热效果最好。以冷却剂进口为起点，以通道的螺旋间距为间隔，提取冷却剂每转的最高温度，得到冷却剂在冷却通道的四种截面形状中从进口到出口的温度分布。冷却剂四种截面形状的温度变化趋势沿流动方向逐渐增大，说明截面形状不影响冷却剂沿流动方向的温度变化趋势，温度变化趋势主要受流道结构的影响。横截面为拱桥型的双螺旋流道传热效果最好，壳温最低。拱桥形截面的设计保证了冷却剂和水套之间的大接触面积，同时减少了水套的材料去除。但考虑到本文拱桥形截面加工工艺复杂，加工成本高，目前尚无应用先例。能否在C01.10高速电主轴上广泛应用，目前还不得而知。综合考虑后，确定双螺旋冷却通道的截面形状为矩形。

2.2冷却通道截面尺寸对传热特性的影响

从以上分析可以看出，双螺旋冷却通道最终选择矩形截面作为通道截面。接下来，需要设计冷却通道的具体尺寸，如螺旋盘管的数量和截面尺寸。首先，选择流道中的螺旋匝数。冷却剂与冷却通道之间的比换热系数和冷却剂流量分别可由牛顿冷却公式(2-21)和式(2-24)得到。在流动过程中，冷却剂的流量和温度会发生变化，但流动和物理状态不会发生变化。

采用矩形截面的螺旋流道中水力直径sd的计算公式为：

式中：S为横截面面积，m2；C为横截面周长，m。

冷却流道的总换热面积为：

当总热交换率和流量Q已知时，Δ t越大，冷却剂的对流换热能力越弱。壳体温度越高，冷却效果越差;Δ t越小，冷却剂的对流换热能力越强。壳体温度越低，冷却效果越好。与C01.10高速电主轴配套的冷却水套总长度L为280mm，冷却通道轴向长度lp为245mm，螺旋半径D为76mm。有必要根据冷却通道三个不变的基本参数来设计冷却通道的截面尺寸。结合上述公式和仿真结果，可以得到通道螺旋环n与最大温差Δ t之间的关系。

随着盘管数的变化，冷却液温度降低约5℃，冷却液最大温差在初始阶段受盘管数影响较大，当盘管数超过8盘管时影响较小。原因是截面积不变，螺旋盘管数增加，冷却通道传热面积增大，换热能力增强，因此冷却剂的最高温度在达到稳定后下降。考虑到冷却通道匝数的增加导致冷却剂的换热面积增加，冷却水套的材料去除量增加，因此变形阻力会减小。而且，当转数超过8圈时，冷却液的最大温差变化不明显。因此，选择冷却通道的匝数n为8。

其次，设计冷却通道的横截面尺寸。随着冷却通道宽度和深度的增加，最大温差呈现先减小后增大的趋势。与通道深度相比，通道宽度对最大温差的影响更为显著。与冷却通道相比，主轴热源位于通道内部，通道的宽度在很大程度上决定了冷却剂与热源的接触面积，说明冷却剂与热源的接触面积对最大温差起主导作用。通道深度的变化并不直接影响冷却剂与热源的接触面积，因此通道深度对冷却剂最大温差的影响相对较小。然而，仍然需要适当的通道深度来保证冷却水的顺畅流动。流道的横截面积取决于流道的宽度和深度。截面积增大到一定程度会引起冷却液流动状态的变化，冷却液的最大温差开始增大。考虑到本文双螺旋冷却通道的设计要求，螺旋入口通道需要有足够的换热，重点是换热能力。因此，在本研究中，螺旋进口通道的冷却通道截面尺寸为25mm × 3mm，对冷却剂的换热效果最好。进一步增大尺寸会影响冷却流型，换热效果反而会降低。根据冷却水套的基本结构尺寸，螺旋冷却水出口通道的宽度可在15mm ~ 18mm范围内选择。由于出口通道中的冷却水需要很高的流量才能完成回流，因此重点考虑冷却水流量。并且在可选择的尺寸范围内，通道对换热能力的影响相对较小，最终出口通道尺寸设置为15mm × 3mm。

2.3变速双螺旋冷却流体模型的建立

冷却液的进、出口均位于主轴后端，消除了主轴外表面开孔的设计，提高了主轴抗径向变形的能力。为解决电主轴前端轴承因远离冷却通道而严重发热的问题，首先在前轴承座上设置了前轴承进口和中轴承冷却通道。与传统的轴承冷却通道不同，该通道中的冷却水从中间轴承分离到前轴承，然后均匀地回流，两者没有独立的分支，这种设计减小了前轴承座的开口尺寸。中间轴承冷却通道的细管设计保证了前轴承冷却通道的流量;其次，螺旋进口通道具有较大的横截面和较慢的流速，可以充分吸收主轴后轴承和定子转子的热量。经过前轴承和中轴承吸收大量热量后，截面积较小的螺旋出口通道可迅速回流到主轴后出口，完成冷却水循环。

3结论

(1)通过模拟分析不同冷却通道的换热效果，发现螺旋冷却通道的换热效果明显优于平行通道，但单螺旋通道的壳体会出现不均匀变形。(2)不同冷却截面的换热效率由好到坏依次为拱桥形、矩形、半圆形、圆形。但拱桥形截面有一定的加工难度，在实际生产加工中可优先考虑矩形截面。(3)当冷却通道内螺旋盘管数大于8时，冷却效果无明显提高。考虑到冷却剂的传热效果和流量，当螺旋进口通道尺寸为25mm × 3mm时，出口通道尺寸为15mm × 3mm即可满足设计要求。

参考文献

[1]康跃然，史晓军，高建民，等.一种新型轴芯冷却电主轴的热特性分析[Ｊ].西安交通大学学报，２０１７，５１(１):１３－１８.

[2]朱科，史晓军，高建民，等.轴芯冷却电主轴热特性分析的数值模拟与实验研究[Ｊ].西安交通大学学报，２０１８，５２(４):４０－４７.

[3]李法敬，高建民，史晓军，等.电主轴轴心冷却用环路热虹吸管的传热特性[Ｊ].西安交通大学学报，２０１７，５１(７):９０－９７.