某重型立車靜壓轉臺熱特性分析與實驗研究*

衡鳳琴　黃　智　許　可　王正杰　王立平

(電子科技大學機械電子工程學院，四川 成都 611731)

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某重型立車靜壓轉臺熱特性分析與實驗研究*

衡鳳琴黃智許可王正杰王立平

(電子科技大學機械電子工程學院，四川 成都 611731)

以某重型立式車床靜壓轉臺為研究對象，通過ANSYS Workbench建立油膜-轉臺這一流固耦合模型，探討不同轉速條件下，因油膜的摩擦發(fā)熱導致的轉臺溫度場及熱變形場的變化規(guī)律。分析結果表明：油膜封油邊處溫升最大，在轉速低于20 r/min時，靜壓轉臺熱變形隨轉速的增加而緩慢增大；在轉速高于35 r/min，靜壓轉臺熱變形隨轉速的增加迅速增大。同時對不同工況下的油膜溫升進行了測試實驗，與封油邊油膜瞬態(tài)溫度仿真結果能夠較好地吻合，轉臺邊緣軸向熱變形與徑向熱變形測試結果與仿真結果的變形方向及趨勢是一致的。研究結果為進一步分析重型立車運行過程中的熱誤差控制及結構設計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

重型立車靜壓轉臺；溫度場；熱變形；實驗分析

重型數(shù)控機床常用于加工大尺寸和復雜曲面工件，因而在國防工業(yè)、航空航天及核電工業(yè)等大件加工領域得到了極為廣泛應用。 液體靜壓技術具有承載性能好、摩擦阻力小、穩(wěn)定性好等特點，被廣泛地應用到重型數(shù)控機床中。但是由于液壓油內摩擦熱的產(chǎn)生，使得工作臺溫度的分布不均勻，產(chǎn)生復雜的熱變形，進而對機床的加工精度有很大影響。因此研究靜壓轉臺熱變形特性，揭示熱變形的規(guī)律，對于提高機床的加工精度及加工效率有重要意義。Nelias D和Seok-II Kim[1-2]對高精度無心磨床在加工過程中熱的形成及熱變形進行了研究。A.G.Khlebov和I.L.Khlebova[3]利用拉普拉斯算法求解了能量方程和變形方程，最終得到壓力和負載作用下軸承的變形。M.Zhuravkov等人[4]考慮液體摩擦作用，在不同速度下對軸承的熱應力場及變形場進行了仿真分析。杜威[5]研究了矩形和工字形油腔的靜壓特性，仿真了溫升對重型龍門數(shù)控機床橫梁處的靜壓導軌變形量的影響。王智偉[6]等人建立了環(huán)形縫隙節(jié)流閉式油靜壓導軌的流固耦合模型，并分析了流固耦合對靜壓導軌變形量、動靜剛度等的影響。江云[7]等人對超精密機床中液體靜壓導軌動導軌在不同工作環(huán)境下做不同運動時的熱變形進行了仿真分析。Junpeng Shao[8]等人分析了輔助孔位置對旋轉工作臺的靜壓推力軸承熱變形場的影響規(guī)律，得出輔助孔應安在距離工作臺最大或最小距離的3/10處。

根據(jù)對國內外有關靜壓轉臺研究相關文獻分析可知，目前有關靜壓轉臺熱變形的研究主要側重于一般的中小型及高精密的數(shù)控機床，由于重型機床所處的環(huán)境變化及工況較之前者更為復雜，因此現(xiàn)在對于重型機床液體靜壓轉臺熱變形定量化研究還存在諸多難題。本文在前人研究的基礎上，以某重型立式車床靜壓轉臺為研究對象，利用有限元方法建立油膜與旋轉工作臺的流固耦合模型，采用Fluent數(shù)值仿真得到工作臺的溫度分布及不同轉速條件下工作臺的熱變形規(guī)律，同時對不同工況下的油膜溫升及轉臺熱變形進行了測試實驗分析。

1　靜壓轉臺工作原理及熱變形方程

1.1工作原理

靜壓轉臺是利用專用的供油裝置，將具有一定壓力的潤滑油送到環(huán)形導軌的靜壓腔內，形成具有壓力的潤滑油層，利用靜壓腔之間的壓力差，形成靜壓轉臺的承載力，將立車轉臺浮升并承受外載荷[8]。圖1所示為立車定量供油靜壓轉臺工作示意圖，電動機1帶動定量泵2進行供油，油從油箱9中抽出，經(jīng)過粗濾油器10和精濾油器3，將一定壓力的靜壓油經(jīng)進油口4送到油腔11內，利用油腔內外的壓力差，將工作臺浮升，這時轉臺和底座之間的間隙為h，壓力油經(jīng)封油邊流出后經(jīng)回油路7及回油泵8流回油箱9中。

本文以齊重數(shù)控裝備有限公司(以下簡稱齊重)某重型立車靜壓轉臺為研究對象，其基本參數(shù)為：工作臺外徑4.5 m，設計最大承重工件32 t，工件最大切削力能達到50 kN。該轉臺采用了12個靜壓油墊，靜壓轉臺是周期性對稱型，為便于計算，取轉臺的1/12作為研究對象，如圖2所示為簡化轉臺的3D模型，圖3為轉臺的有限元網(wǎng)格模型。

1.2靜壓轉臺的熱變形方程

靜壓轉臺內部的熱傳導過程可看作是圓柱坐標系中的導熱問題，應用能量守恒定律可描述為：

(1)

靜壓轉臺的熱變形主要是由于轉臺溫度分布不均勻造成的。在考慮體積力作用下，將胡克定律擴展到熱彈性力學，建立熱平衡方程，其表達式如下：

表1　扇形油墊的主要尺寸參數(shù)

表2　轉臺材料特性

2　熱變形計算的邊界條件

靜壓轉臺的熱源主要包括轉臺運動時消耗的摩擦功率以及電機的發(fā)熱。在本文中重點考慮由于靜壓油膜的剪切摩擦發(fā)熱產(chǎn)生的溫升對轉臺變形場的影響，利用Fluent軟件通過流固耦合的方式仿真得到轉臺的溫度分布情況。油腔結構采用扇形油腔，如圖4所示為油墊封油邊尺寸示意圖，a、b、c、d表示封油邊的4個縫隙區(qū)域，e表示油腔內部區(qū)域，再進行油墊封油邊流量、溫升等公式推導時會用到參數(shù)B1、B2、L1、L2。靜壓轉臺油墊的尺寸示意圖如圖5所示，主要幾何參數(shù)如表1所示。通過查詢機械工程材料手冊得到靜壓轉臺的材料特性參數(shù)，如表2所示，選用46號液壓油，靜壓油參數(shù)如表3所示。利用Pro/Engineer建立靜壓轉臺的三維幾何實體模型，再調入Fluent前處理器Gambit進行網(wǎng)格劃分及邊界類型的設定。油腔入口設置為恒流量入口，出口設置為壓力出口，同時設置周期對稱邊界條件。

表3　靜壓油的材料特性

3　靜壓轉臺溫度場與變形場仿真分析

3.1溫度場仿真分析

如圖6～7所示分別為轉速為20 r/min和30 r/min時仿真的油膜穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖，在內外封油邊處油膜溫升最高，轉速越大，封油邊溫升也越大。保持入口流量、溫度等其他條件相同，通過對不同旋轉速度條件下油膜溫升仿真，得到油膜溫升與轉速的關系。如圖8所示為仿真得到的封油邊處4個縫隙區(qū)域油膜溫升與轉速關系。

圖9為環(huán)境溫度為10 ℃，轉臺轉速為30 r/min時得到的轉臺的溫度分布情況。從轉臺的溫度分布情況可以看出，轉臺與油膜接觸位置有最高溫度為16 ℃，熱量從油膜接觸位置沿轉臺軸向和徑向傳導，半徑越大溫度越低。

3.2轉臺熱變形仿真結果分析

進行變形場仿真時利用ANSYS的Workbench模塊將Fluent中仿真得到的溫度分布作為載荷加載到ANSYS結構場中進行熱變形場的仿真。因為轉臺屬于周期對稱，轉臺只有軸向和徑向的變形，在圓周方向的變形為0，所以需要設置轉臺的周向位移約束。轉速為30 r/min條件下得到的仿真結果如圖10～12所示，圖10為轉臺的軸向熱變形分布，圖11為轉臺的徑向熱變形分布，圖12為轉臺的整體變形情況。從轉臺變形場可以得到，轉臺呈邊緣向上翹曲中間凹陷的變形狀態(tài)，沿徑向方向熱變形呈逐漸增大的趨勢，最大熱變形在轉臺的邊緣處，轉臺邊緣有最大軸向熱變形量為62 μm，轉臺徑向熱變形最大值在與油膜接觸位置，轉臺邊緣徑向熱變形量約為19 μm。

對不同轉速下轉臺的變形場進行仿真，得到轉速與轉臺最大熱變形量之間的關系，如圖13所示。從圖中可以看出，最大熱變形量隨著轉速的增大而增大，當轉速大于35 r/min時，轉臺熱變形隨轉速增加迅速增大。因此為了減小靜壓轉臺的熱變形，應控制轉臺的轉速在合適范圍內，建議轉臺轉速在25 r/min以下。

4　靜壓轉臺熱變形實驗分析

前面利用流固熱耦合分析方法對油膜溫度場及轉臺變形場進行了仿真分析，為了驗證仿真分析的正確性，對不同工況中的靜壓油膜的溫升及轉臺熱變形情況進行了測試實驗。

4.1測試條件及測試內容

針對某重型數(shù)控立車恒流供油靜壓轉臺，測試內容為該靜壓轉臺油膜發(fā)熱產(chǎn)生的溫升及轉臺熱變形。該測試是在齊重的恒溫車間完成，環(huán)境溫度變化在15±2 ℃以內，符合測試要求。此次測試針對轉速為5～30 r/min時的重型立車靜壓轉臺表面邊緣處軸向及徑向變形情況進行測量(測試時間約2 h)。同時在上述不同工況下，測量油墊進油口與封油邊出口液壓油溫度以及環(huán)境溫度，其中測試封油邊出口油溫的傳感器在油槽內安裝位置如圖14所示。

4.2實驗與仿真結果對比分析

如圖15～16所示為空載條件下工作臺轉速為20 r/min時測試的油膜封油邊出口溫度與進油口的入口溫度及環(huán)境溫度隨時間變化曲線。在前30 /min時封油邊出口溫度迅速升高，之后油溫隨著時間緩慢升高，并在2 h時趨于平衡。入口油溫在前15 min時也隨著時間迅速升高，之后入口油溫保持平衡不變，這是由于在開始階段入口油溫沒達到冰箱設定時的溫度。測試環(huán)境溫度有波動但是變化不大，可以認為恒溫。用油槽內部測試的油液穩(wěn)態(tài)溫度與進油口穩(wěn)態(tài)溫度相減即得到封油邊a處的穩(wěn)態(tài)溫升。

圖17和圖18分別為20 r/min和30 r/min時封油邊油膜溫度瞬態(tài)仿真分析曲線與測試曲線的對比圖。封油邊油溫溫度的仿真結果與測試結果在趨勢上是相似的，都是隨著時間先快速升高，后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。仿真的初始溫度與測試的初始溫度不一樣是考慮到，測試時入口溫度與穩(wěn)態(tài)時溫度不同，這里選擇測試時的穩(wěn)態(tài)入口溫度作為仿真的入口溫度。仿真油膜瞬態(tài)溫度曲線是在假設油膜厚度不變的情況下進行的，實際上油膜厚度在轉臺轉動過程中不斷波動的，因此仿真的結果與測試結果有一定偏差。仿真的穩(wěn)態(tài)溫度與測試的穩(wěn)態(tài)溫度較好的吻合，說明了仿真結果是正確可信的。

圖19～20是轉臺轉速為30 r/min時的轉臺邊緣軸向熱變形和徑向熱變形的測試結果，圖中幅值減小說明轉臺與傳感器之間的距離縮小。圖中測試了轉臺由靜止狀態(tài)-浮升-旋轉-停止旋轉保持浮升-靜止的整個過程中的熱變形曲線。

圖19所示軸向熱變形測試曲線在開始和末尾階段的劇烈振蕩是由于轉臺開始旋轉與停止旋轉時的共振造成的。測試曲線開始與結束時的幅值差即為變形量值，從測試結果分析可得到30 r/min時轉臺邊緣軸向變形測試值為72 μm，徑向變形為14 μm，由于轉臺轉動過程中離心力作用，以及油溫的變化，導致油膜厚度不是恒定值，因此測試結果與仿真結果存在偏差，但是根據(jù)測試結果可以得到與仿真結果一樣，轉臺邊緣軸向熱變形大于徑向熱變形，軸向向上徑向向外的變形趨勢。

5　結語

(1)本文建立重型立車靜壓轉臺油膜-轉臺流固耦合分析模型，利用流體分析軟件Fluent得到轉臺的溫度場分布，并通過ANSYS Workbench中的靜力分析模塊得到轉臺的熱變形情況。

(2)通過仿真得到靜壓轉臺油膜溫升及轉臺的最大熱變形量都會隨轉速的增加而變大，軸向熱變形量遠大于徑向熱變形量，30 r/min時轉臺最大熱變形量在轉臺邊緣處達到68 μm，其中軸向熱變形量最大位置為轉臺邊緣，徑向熱變形量最大的位置在與油膜接觸地方。油膜發(fā)熱產(chǎn)生的轉臺熱變形對機床加工精度的影響不能忽視。

(3)通過對比封油邊油膜溫度測試結果與仿真結果，驗證了仿真分析的正確性。通過對轉臺邊緣處軸向熱變形與徑向熱變形測試，得到30 r/min時轉臺邊緣軸向熱變形量為72 μm，徑向熱變形量為14 μm，雖然與仿真的軸向熱變形量62 μm，徑向熱變形量19 μm存在一定偏差，但是變形方向及變形趨勢是一致的。本文的研究結果能夠為重型立車運行過程中熱誤差控制及機床結構優(yōu)化設計提供參考數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

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(編輯汪藝)

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Simulating thermal characteristics and experimental studies of hydrostatic rotary table for heavy vertical lathe

HENG Fengqin, HUANG Zhi, XU Ke, WANG Zhengjie, WANG Liping

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, CHN)

The liquid and solid coupling of oil film and hydrostatic rotary table of one heavy vertical lathe was solved with the Fluent software. The thermal deformation of the rotary table was calculated with the ANSYS Workbench software based on the finite element method. The analysis results show that, maximum temperature rise appears on the sealing oil side, and with the increase of rotational speed, the values of maximum radial thermal deformation of hydrostatic turntable increase slowly as the speed is lower than 20 r/min, and increases rapidly as the speed is higher than 35 r/min. Meanwhile, sealing oil side film transient temperature simulation results can match better with the results of oil film temperature measurement under different working conditions, and the numerical results of thermal deformation along the axial and radial direction have the same direction and tendency with the thermal deformation measurement on edge of rotary table. The results provide theoretical foundations for the further analysis of thermal error control and structural design optimization in manufacturing process of heavy vertical lathe.

heavy vertical hydrostatic rotary table; temperature field; thermal deformation; experimental analysis

TH133.36

A

衡鳳琴，女，1988年生，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)控機床熱變形控制技術。

2015-05-19)

160108

*國家科技重大專項:重型數(shù)控機床關鍵共性技術創(chuàng)新能力平臺(2013ZX04013-011);國家自然科學基金:基于柔順力控制的航發(fā)葉片邊緣七軸聯(lián)動數(shù)控砂帶磨削方法及實驗研究(51275078):中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金: 葉片多軸聯(lián)動磨削方法研究(ZYGX2012J100)