高速电主轴冷却水参数对其温度场的影响研究
张丽秀1,2, 李超群1,2, 李金鹏1,2, 吴玉厚1,2     
1. 沈阳建筑大学 机械工程学院, 沈阳 110168;
2. 高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室, 沈阳 110168
摘要: 以COMSOL Multiphysics有限元分析软件为工具,建立170SD30-SY型电主轴水冷系统有限元模型,并对不同水流量下水冷系统温度场进行仿真;搭建水冷系统温升实验平台,分别对不同转速下的电主轴水冷却系统参数与电主轴温度的关系进行实验。研究结果表明:不同转速下,随着冷却水流量的增加,电主轴温度有不同程度的降低;冷却水流量为0.28 m3/h~0.30 m3/h时,冷却效果均为最佳选择;同时,通过改变冷却水初始温度来控制电主轴温升具有更直接效果。
关键词: 电主轴     水冷系统     有限元模型     温升实验    
Influence Analysis of Cooling Water Parameters on High-speed Spindle Temperature Field
Zhang Lixiu1,2, Li Chaoqun1,2, Li Jinpeng1,2, Wu Yuhou1,2     
1. School of Mechanical Engineering, Shenyang JianZhu University, Shenyang 110168, China;
2. National-Local Jiont Engineering Laboratory of NC Machining Equipment and Technology of High-Grade Stone, Shenyang 110168, China
Abstract: With the finite element analysis software of COMSOL Multiphysics, a finite element model of water-cooling system for 170SD30-SY motorized spindle was built, and the temperature field of water-cooling system under different water flows was simulated; furthermore, a temperature experiment platform of water-cooling system was built, then the experiments were carried out respectively under different water flow speeds to validate the relationship between the cooling system parameters and temperature rise. The results showed that under different speeds, the spindle temperature was reduced in different degrees with the increase of the cooling water flow rate; and it achieved the best cooling effect when the cooling water flow rate was 0.28 m3/h~0.30 m3/h; meanwhile, it had a more direct effect to change the initial temperature of cooling water so as to control the spindle temperature rise.
Key words: motorized spindle     waterr-cooling system     finite element model     temperature control    

高速电主轴是数控机床的心脏, 是保证机床工作精度的关键部件, 其技术的高低、性能的优劣以及单元的配套水平, 都决定和影响着数控机床的发展速度[1]。电主轴高速运转过程的电机损耗发热是其内部主要热源之一, 大量的热量导致不均匀的主轴零件热膨胀或刀具变形, 影响电主轴的精度甚至轴承的预紧力[2-4], 进而影响机床的加工精度及使用寿命[5-6]。高速电主轴常用的冷却方式为水套冷却, 该水冷系统的散热效率决定了电主轴整机温度场, 因此其系统参数的选取至关重要。

近年来, 大量学者对电主轴冷却系统的各项参数的优化选择做了很多努力。Brailson Mansingh等[7]通过数值分析和三维仿真, 设计出的矩形冷却环路能够更有效的降低电主轴温升。西南科技大学采用热-结构耦合的方法分析出主轴热变形是影响加工精度的一个重要原因[8]。张珂等[9]通过有限元软件模拟仿真出不同冷却水道对主轴温度场的影响, 得出水道最佳宽度为4 mm; 芮执元等[10]采用正交实验法对主轴电机发热功率与冷却液流速进行分析, 得出改变冷却液流速能使主轴温度降低5 ℃~8 ℃。陈文华等[11]运用有限元分析软件对在不同环境温度、冷却水等条件下的螺旋型水套进行了分析得出, 适当的冷却水流速对主轴电机的温升有很好的控制作用, 且环境温度不是影响主轴温升的主要因素。储泽楠等[12-13]通过对电主轴的水冷系统研究得出, 选择合适的冷却水道尺寸、增加冷却水流量及改变冷却水的温度都可有效降低电主轴定子温度。以上研究大多直接通过理论计算得出定子生热量、冷却水与水套间的换热系数等, 模型的预测精度较低, 且没有进一步分析冷却水流量及其温度对主轴温升的直接影响, 因此相关研究成果的实际应用受到限制。

通过搭建170SD30-SY型电主轴水冷系统温升实验平台, 对不同转速下冷却水流量对主轴温度场的影响进行实验研究; 运用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立电主轴水冷系统温升预测模型, 仿真不同转速下电机定子在不同水流量的温度场。结果表明, 冷却水流量存在最佳工作区间, 且冷却水初始温度对主轴温度场影响较大。

1 电主轴水冷系统有限元仿真模型 1.1 冷却系统对流换热理论

电主轴在高速运转时的主要冷却方式是水冷系统对主轴定子的冷却。在冷却水道一定的情况下, 如果流速过小, 冷却水不能对电机定子充分冷却; 如果流量过大, 冷却水可能来不及带走热量, 主轴温升不能得到有效控制, 同时过大的流速将消耗更多的能量, 因此选择合适的冷却水流量对主轴温度场的精确控制具有直接意义。

根据流体力学和传热学理论可得, 流道内水流为湍流时, 对流换热热阻较小, 即换热系数比层流时大, 所以本文直接选择电主轴冷却水流态为湍流时的流量为研究对象[14], 可以推导电主轴水套中冷却水流量对电机定子表面与冷却水之间的换热系数影响的关系式[15-16],即

    (1)

式中:h为冷却水与主轴定子间的换热系数, W/(m2·℃); q为冷却水流量, m3/h; D为水道特征尺寸, m;A为水道截面尺寸, m2; μ为水的运动粘度, m2/s; η为水的动力粘度, Pa·s; Cp为恒压热容, J/(kg·℃); λw为水的导热系数, W/(m·℃); L为水道长度, m。

定子温度为

    (2)

式中:T0为主轴初始环境温度, ℃; Q为电主轴定子损耗发热量, W。

选170SD30-SY型电主轴冷却系统水套为研究对象, 即水套长128 mm, 外径136 mm, 内径120 mm, 水道宽4 mm。当主轴转速为10 000 r/min时, 由式(1) 和式(2) 可得定子温度与冷却水流量的关系。

图 1 电主轴定子温度与冷却水流量理论关系

图 1可以看出, 随着水流量的增加, 温度呈下降趋势, 但考虑随着水流量增加将加大能量消耗。所以, 对应不同的工作转速, 电主轴需要选取使温度变化梯度较小的冷却水流量作为最佳工况参数。

1.2 电主轴有限元模型及温度场仿真

从式(1) 和式(2) 可以看出, 冷却系统换热理论是基于换热系数为媒介的水冷系统温度计算, 只考虑到冷却水流量对主轴温度场的影响, 实际工作中的换热系数还与冷却水温度有关; 而有限元仿真得水冷系统温度场是基于冷却水流量和冷却水温度对其换热系数综合影响的计算。建立的170SD30-SY型电主轴电机的冷却系统模型, 如图 2所示。在保证计算精度的前提下, 将冷却水、水套、定子简化为圆筒装配, 忽略所有的螺钉、通气孔、通水孔及其一些细小结构。运用COMSOL Multiphysics有限元软件建立电主轴水冷系统模型。假设电主轴运行环境温度T0=14 ℃; 水冷系统进水口温度Tw=12 ℃; 由油气润滑系统压缩空气进气压力为0.37 MPa, 转子外表面半径为39.5 mm, 定转子间隙为0.5 mm可得到, 定子内壁与转子间气隙的换热系数为196 W/(m2·℃)[17-18]; 其他与空气接触部位的换热系数取复合换热系数9.7 W/(m2·℃)[19]

图 2 水冷系统三维模型

材料各项属性如表 1所示, 模型采用自由剖分四面体网格。其中, 冷却水模型四面体单元个数60 799, 棱形单元个数85 380个, 最大单元尺寸0.291 9 mm, 最小单元尺寸0.054 24 mm。水冷系统模型四面体单元个数162 750, 棱形单元个数120 120个, 最大单元尺寸3.33 mm, 最小单元尺寸0.217 mm。在主轴转速为5 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min时, 冷却水流量取0.26 m3/h、0.28 m3/h、0.30 m3/h、0.34 m3/h、0.38 m3/h, 分别进行有限元仿真计算。

表 1 模型中材料的参数
元件材料密度/(g·cm-3)热导率/(W·(m·℃)-1)比热容/(J·(kg·K)-1)
定子8.856400386
水套45钢7.85060.50434
冷却液1.0000.55420 0

图 3可看出:主轴转速为5 000 r/min时, 随着冷却水流量的增加, 定子、水套、冷却水稳态温度分别降低2.6 ℃、2.6 ℃、1.3 ℃; 主轴转速为8 000 r/min时, 定子、水套、冷却水稳态温度分别降低3.8 ℃、3.79 ℃、1.8 ℃; 主轴转速为10 000 r/min时, 定子、水套、冷却水稳态温度分别降低4.3 ℃、4.31 ℃、2.08 ℃; 主轴转速为12 000 r/min时, 定子、水套、冷却水稳态温度分别降低4.3 ℃、4.48 ℃、2.18 ℃。即转速越高, 冷却水流量对电主轴系统的降温效果越明显。水冷系统各部位温度均下降且趋势一致, 但考虑到实际生产中的能耗比, 水流量在0.28 m3/h~0.30 m3/h之间时即可保证主轴温度正常工作, 所以, 可选择保证主轴温度下降梯度较小的流量范围作为最佳选择。

图 3 不同转速下电主轴水冷系统温度与冷却水流量的关系

图 4可看出:冷却水流量为0.28 m3/h和0.30 m3/h时, 电主轴转速为5 000 r/min时, 温度下降梯度最小为0.4 ℃; 转速为8 000 r/min时, 温度下降梯度最小为0.6 ℃; 转速为10 000 r/min时, 温度下降梯度最小为0.6 ℃; 转速为12 000 r/min时, 温度下降梯度最小为0.7 ℃。

图 4 不同转速下电主轴水冷系统等温线图
2 电主轴水冷系统温升实验

为了证明电主轴水冷系统参数对其温度场的影响, 搭建如图 5所示的电主轴水冷系统温升实验平台。

图 5 电主轴温升测试装置

该实验平台可通过电磁阀调控冷却水流量, 通过制冷机调控冷却水初始温度。测试时, 分别在电主轴前后轴承位置及两轴承跨距中间位置布置共计30个温度传感器, 对电主轴各部位进行温度测量, 并运用红外温度测量仪测量轴头温度变化。

2.1 电主轴温升实验

实验条件与仿真条件一致, 且空压机压力为0.72 MPa, 油气润滑系统进气压力调为0.37 MPa, 供油间隔为3 min, 每次喷油量为12.33 mm3; 环境温度为T0=14 ℃左右; 冷却水流量为0.26 m3/h、0.28 m3/h、0.30 m3/h、0.34 m3/h、0.38 m3/h, 初始温度Tw=12 ℃; 电主轴空载, 转速分别为5 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min, 测量电主轴运行过程中的温度变化, 实验进行中间隔20 s自动记录一次实验数据。选取其中同一传感器温度数据做对比, 实验结果如图 6所示。

图 6 不同转速下冷却水流量对电主轴温度的影响

图 6可看出:随着冷却水流量的增加, 主轴转速为5 000 r/min时, 主轴稳态温度降低1.45 ℃; 转速为8 000 r/min时, 主轴稳态温度降低1.67 ℃; 转速为10 000 r/min时, 主轴稳态温度降低1.25 ℃; 转速为12 000 r/min时, 主轴稳态温度降低0.87 ℃。电主轴转速为5 000 r/min, 冷却水流量0.28 m3/h时主轴温度最低; 电主轴转速为8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min, 冷却水流量0.30 m3/h时主轴温度最低。

2.2 冷却水初始温度对电主轴温度的影响

考虑到冷却水初始温度是水冷系统影响电主轴温度的参数之一。在主轴转速为10 000 r/min时, 其他实验条件保持不变, 通过调节冷却水的初始温度, 进行电主轴温升实验。实验结果如图 7所示。

图 7 冷却水初始温度对主轴温升的影响

图 7可以得出:冷却水初始温度从15 ℃~19 ℃变化时, 主轴温度从32.56 ℃上升至36.38 ℃, 温差达到3.82 ℃。因此, 冷却水温度可直接影响电主轴稳态温度。

2.3 冷却水流量对电主轴温度的影响

为了验证仿真结果的有效性, 选取电主轴空载运转5 400 s, 达到稳定状态下的定子部位实验温度与仿真温度对比, 结果如图 8所示。

图 8 实验温度与仿真温度对比

图 8可以看出:不同转速下, 随着冷却水流量的增加, 电主轴仿真温度与实验温度的变化趋势一致; 主轴转速为5 000 r/min、8 000 r/min、10 000 r/min、12 000 r/min时, 实验温度与仿真温度平均误差分别为1.874 ℃、2.086 ℃、2.88 ℃、2.41 ℃, 产生较大误差是由于定转子间隙的换热系数是由文献中理论公式计算所得, 与实际工况中主轴型号等因素有差异, 可通过对换热系数的优化来提高模型精度。

3 结论

1) 170SD30-SY型电主轴的最佳冷却水流量为0.28 m3/h~0.30 m3/h;

2) 冷却水初始温度对电主轴温度场有直接影响作用, 必要时, 可通过改变冷却水初始温度控制电主轴温升;

3) 换热系数的选取对有限元模型的预测精度有着较大影响, 因此对换热系数的优化值得进一步研究且有实际意义。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0917
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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张丽秀, 李超群, 李金鹏, 吴玉厚
Zhang Lixiu, Li Chaoqun, Li Jinpeng, Wu Yuhou
高速电主轴冷却水参数对其温度场的影响研究
Influence Analysis of Cooling Water Parameters on High-speed Spindle Temperature Field
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1414-1420
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1414-1420.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0917

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收稿日期:2016-04-22

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