冷却系统流量对主轴温度的影响简析

冷却系统流量对主轴温度的影响简析

陈志波

东莞市水务集团工程有限公司 广东东莞 523000

[摘要]电主轴，属于高精密及高速加工行业领域当中的重要构成部分。电主轴在实际运行期间，较难避免损耗发热及轴承摩擦生热等情况，这些均会致使主轴产生热变形情况，对机床实际加工精度造成不良影响。所以，充分了解及把握电主轴实际传热机制，对冷却系统流量予以合理调节较为重要。鉴于此，本文主要探讨冷却系统流量条件对于主轴温度所产生影响，期望可以为后续更多技术专家和学者对此类课题的实践研究提供有价值的指导或者参考。

[关键词]冷却系统；主轴温度；流量；影响

前言：

伴随我国高精密性加工业持续进步发展，对各项工艺提出更高要求。考虑到电主轴属于高精密性加工作业整个过程当中核心部分，为更进一步提升加工精度水平，对冷却系统流量条件对于主轴温度所产生影响开展综合分析，对今后更好地调节冷却系统流量调节，确保主轴内部各重要部件不会因温升所致受损情况出现而言，有着一定的现实意义和价值。

1、构建有限元基础模型

结合某类型电主轴尺寸，将电主轴的三维实体基础模型有效构建起来。先适当对模型予以简化处理，不考虑到电源线、螺钉、接头相关局部特征，将关系到温度场总体仿真分析的结构保留：把三维模型合理导入至有限元的系统软件内部，实施网格划分、结构设置各项操作：再把模型导入至流体的分析系统软件内部，设定相应的边界条件。流体温度环境为25℃，针对入水口位置温度设定24℃，且进水口位置流量设定1L/min～14L/min，换算成为湍流强度、质量流量、水力直径等各项参数[1]。针对湍流强度，则结合I=0.16Re-1/8列式予以计算确定；水力直径选取10.70mm；对于出水口位置边界，选定默认压力出口处边界条件，也就是大气压力；对主轴热源如箱体、轴承、铁芯、绕组等重要部件实际发热量予以合理设定。因考虑到热对流实际系数，其与总体结构、转速存在联系，则对温度场予以初始化后，便可实施仿真计算，获取电主轴最终的仿真结果。

2、影响分析

2.1在温度场仿真试验层面

为能够对流固耦合最终仿真结果精准性实施验证分析，将电主轴的温升测试系统平台有效构建起来，对于500r·min-1转速、15/N·m常用工况条件之下，某型主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等重要部件温度开展试验测试，对仿真结果予以验证。借助预埋温度的传感装置PT100，对电主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等重要部件温度数据予以采集。轴承位的测点共有12个，对各轴承上面布设3个测点，且电机位上测点设9个。此试验条件结合常用工况之下仿真条件予以设定，选取恒温环境当中开展测试，即25℃温度环境，冷却水处温度设定24℃，且主轴转速设定500r/min[2]。电主轴实际运行期间，主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等重要部件温度数据，其主要经温度传感装置PT100、LabVIEW编程、研华的采集卡等予以实时采集，并以30min时间段断无波动现象产生的温度数据为箱体、轴承、铁芯、绕组等重要部件温度。经现场测试分析可了解到，冷却系统实际流量对于电主轴的温度影响情况与仿真结果相一致，该主轴前及后轴承位置偏差<0.5℃，且电机温度偏差是1.0℃～1.5℃，呈最小偏差数值。由此便可表明，该电主轴部位温度场总体仿真模型和所设边界条件具备可靠性，仿真分析最终结果有可参考价值。

2.2在冷却流量层面

一是，在常用工况条件之下冷却系统的最佳流量层面。常用工况条件之下，将电主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等各重要部件热流密度、热对流实际系数，纳入至仿真模型当中，处于1L/min～14L/min冷却流量时候，对电主轴所有重要部件整机温度、平均温度予以分别计算，了解各重要部件温度场总体分布情况，即常用工况条件之下，因冷却液实际流量增加，致使电主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等各重要部件实际温度均有所下降。冷却液实际流量小<8l>8L/min情况下，电主轴各重要部件温度梯度恒定，所对应冷却液实际流量，则为最佳流量；二是，在恶劣空载条件之下冷却系统的最低流量层面。处于6000r·min-1转速、0/N·m恶劣空载条件之下，对电主轴冷却系统的最低流量实施计算分析期间，参考着电主轴内各重要部件温升及其温度限制各项规范。电主轴实际运行过程当中，轴承温升始终维持30℃范围，实际温度<60℃。因电机绕组实行F级绕组，所以，电机温升始终<105℃，整个温度环境限制于120℃范围。处于恶劣空载条件之下，把电主轴各重要部件热源、热对流实际系数纳入至主轴整个仿真模型当中，对冷却系统流量值予以调整。那么，电主轴内部如箱体、轴承、铁芯、绕组等各重要部件当中任何一个部件倘若先达到相应的温度限值，则予以统计后，便可获取冷却系统的最低流量。现场调试及其分析后了解到，恶劣空载这一工况条件之下，最先达到了相应的温度限制的是后轴承，冷却系统实际液流量此时是0.4L/min，此流量为恶劣空载这一工况条件下整个电主轴内部冷却系统的最低流量

[3]；三是，在恶劣负载条件之下冷却系统的最低流量层面。处于400r·min-1转速、50/N·m恶劣负载条件之下，对电主轴的冷却系统最低流量实施分析，参考着电主轴各重要部件温升及其温度限制各项规范，产业恶劣负载条件之下，如箱体、轴承、铁芯、绕组等各重要部件实际热流密度、热对流的系数等，纳入至电主轴仿真基础模型当中，对冷却系统流量值予以适当调整。那么，通过实施现场调试及其分析可了解到，恶劣空载这一工况条件之下，最先达到了所要求温度限制范围的是电机绕组，冷却系统流量此时是0.67L/min，此流量参数便属于恶劣负载条件之下电主轴内部冷却系统的最低流量。

3、结语

综上所述，通过此次围绕着冷却系统流量条件对于主轴温度所产生影响开展模拟分析后了解到，不同工况条件之下，冷却系统实际流量参数对于主轴内部各重要部件温升会产生影响。不同的冷却流量之下，主轴各重要部件温度波动趋势偏差<5%，证明所构建仿真模型切实可靠，所获取模拟分析最终结果也具备着参考价值。常用工况条件之下可获取冷却系统的最佳流量，即>8L/min；处于6000r·min-1转速、0/N·m恶劣空载条件之下，最先达到了相应的温度限制的是后轴承，0.4L/min为整个电主轴内部冷却系统的最低流量；此外，处于400r·min-1转速、50/N·m恶劣负载条件之下，最先达到了所要求温度限制范围的是电机绕组，0.67L/min为电主轴内部冷却系统的最低流量。故而，大扭矩条件之下，因流量持续降低，电机绕组易因过高温度而被烧毁；较高转速条件之下，因流量持续降低，后轴承易因过高温度而被烧毁，这就需合理把控好不同的冷却介质之下流量参数，便于更好地控制其对主轴温升所产生影响，确保冷却系统始终维持最佳流量，以免主轴各重要部件受损。

参考文献：

[1]吉日格勒,孙福臻,张泉达,等.热成形模具冷却系统流量分配均匀性研究[J].锻压技术,2022,047(004):218-226.

[2]张锐扬、陈学振、龚飞、李连玉.高速电主轴轴承温度影响因素研究[J].机床与液压,2020,048(020):27-30

[3]耿继青,崔中,王婷,等.冷却系统参数对电主轴热态特性的影响[J].机电产品开发与创新,2022,35(6):122-125.