高速電主軸熱結(jié)構(gòu)耦合分析

高 震 齊向陽 丁 超 常 雷

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

一、仿真流程

首先根據(jù)高速電主軸中所選用的軸承參數(shù)以及規(guī)定的轉(zhuǎn)速和確定的預(yù)緊力來計(jì)算出軸承生熱，然后根據(jù)冷卻條件計(jì)算出相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)，再通過ansys進(jìn)行所劃分的第一個(gè)時(shí)間步的仿真。根據(jù)得到的溫度再進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形場仿真，在變形場中得到需要的重要數(shù)據(jù)，更新一些重要參數(shù)，重新進(jìn)行下一時(shí)間步的仿真，直到最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

二、高速電主軸邊界條件計(jì)算

軸承的生熱計(jì)算[1]，電機(jī)的生熱計(jì)算[2]，空氣的對(duì)流換熱系數(shù)[3]，接觸熱阻的計(jì)算[4]計(jì)算不再贅述，軸承和電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 具體參數(shù)

冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)可借由仿真得到。由于流道位置的情況很復(fù)雜，通過理論的計(jì)算很難得到準(zhǔn)確的數(shù)值，因此利用有限元仿真，提取表面的關(guān)鍵數(shù)值可以得到比較準(zhǔn)確的對(duì)流換熱系數(shù)，再將系數(shù)導(dǎo)入到瞬態(tài)熱仿真。

三、仿真過程

(一)瞬態(tài)溫度場和結(jié)構(gòu)場仿真

瞬態(tài)溫度模塊與接觸熱阻相關(guān)的條件是熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化，計(jì)算公式[4]如下所示：

Tr——熱傳導(dǎo)系數(shù)；

A——滾動(dòng)環(huán)與軸承內(nèi)圈接觸面積，s。

將相應(yīng)的條件加載到瞬態(tài)溫度場模塊中進(jìn)行第一個(gè)時(shí)間步的溫度仿真。

(二)采集重要參數(shù)

1.軸承內(nèi)外圈的受熱改變量

首先對(duì)徑向改變進(jìn)行采集，將軸承內(nèi)圈外表面以及軸承外圈內(nèi)表面相對(duì)于初始狀態(tài)發(fā)生的變形量進(jìn)行采集，在采集了每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)進(jìn)行求平均值操作，將結(jié)果作為軸承內(nèi)外圈的徑向變形。然后對(duì)軸向位移進(jìn)行采集，由于軸承在運(yùn)動(dòng)過程中，沿軸向方向也會(huì)發(fā)生變形，因此記錄下軸承內(nèi)外圈兩個(gè)端面相對(duì)于軸向方向發(fā)生的變形，然后進(jìn)行求平均值作為軸向位移情況.

2.滾動(dòng)體熱膨脹

滾動(dòng)體熱膨脹的情況可以根據(jù)滾動(dòng)體表面的溫度情況進(jìn)行計(jì)算。先對(duì)滾動(dòng)體的表面進(jìn)行溫度提取，將提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值，然后結(jié)合滾動(dòng)體膨脹公式[5]就可以得到需要的結(jié)果

(三)參數(shù)處理

軸承內(nèi)外圈的軸向位移和徑向變形主要影響了軸承的接觸角，進(jìn)而改變軸承載荷來改變軸承的生熱，借助軸承動(dòng)力學(xué)模型[8]來進(jìn)行處理：

該模型缺少了對(duì)軸承在受熱變形條件下的分析，由于軸承受熱變形主要影響了球內(nèi)圈溝道曲率中心與外圈溝道曲率中心之間的軸向距離和徑向距離，因此需要將熱變形和熱位移的情況加入進(jìn)去。最后計(jì)算出變化的軸承接觸角以及軸承載荷。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果更新軸承載荷情況，然后重新計(jì)算軸承生熱。

接下來考慮預(yù)緊力的情況，本次仿真所用主軸軸承的安裝方式為定位預(yù)緊，根據(jù)前面所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)緊力的更新，并將更新的預(yù)緊力重新加載到下一個(gè)時(shí)間步的仿真，直到最后達(dá)到平衡。

(四)對(duì)比與分析

首先針對(duì)主軸內(nèi)部溫度情況，在前后軸承以及電機(jī)定轉(zhuǎn)子的同一軸向位置放置溫度探針，將過程中溫升的變化情況進(jìn)行采集

最后可得由于定子的位置更靠近冷卻液，冷卻液的強(qiáng)制對(duì)流換熱能力比較強(qiáng)，因此它的溫度在穩(wěn)定狀態(tài)下是小于轉(zhuǎn)子的，這就說明了冷卻液對(duì)于主軸散熱的重要作用。

在前軸承的外圈位置放置溫度探針，兩種仿真方式進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，兩種仿真方式的結(jié)果趨勢(shì)上是基本相同的，最后的溫度值有一定差距，但相差不大。前期曲線趨勢(shì)上升很快主要是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的過程不是一蹴而就的，需要一定時(shí)間。由于時(shí)間步設(shè)置了比較長的時(shí)間，因此在傳熱剛剛開始的時(shí)候軸承生熱等一些重要數(shù)據(jù)沒有及時(shí)更新，因此前期的溫度曲線在傳統(tǒng)仿真上。

考慮預(yù)緊力的情況，傳統(tǒng)仿真的方式是在初始條件設(shè)置好的前提下進(jìn)行仿真，直到得到最后的結(jié)果，因此預(yù)緊力的加載一直是一個(gè)定值。而熱結(jié)構(gòu)耦合仿真是通過不斷更新預(yù)緊力的方式進(jìn)行仿真，預(yù)緊力在過程中是不斷變小的。

四、結(jié)語

(1)通過對(duì)最終的仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，高速電主軸的內(nèi)部是一個(gè)溫度分布極不均的情況。由于冷卻液是從前軸承左側(cè)流入到達(dá)右側(cè)的時(shí)候溫度是高于入口的，因此前軸承右側(cè)的溫度是比較高的。分析表明，仿真結(jié)果基本符合現(xiàn)實(shí);

(2)主軸的前后軸承以及定轉(zhuǎn)子的溫度對(duì)比表明，在主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，冷卻液的強(qiáng)制對(duì)流換熱是主軸散熱的主要方式，也是最有效的方式。要減小主軸的溫升可以適當(dāng)加大冷卻液的流量或者降低冷卻液的入口溫度;

(3)通過對(duì)結(jié)果溫度進(jìn)行比較可以看出，這種仿真方式在結(jié)果上與傳統(tǒng)的很接近，相差了3℃，證明是可行的。而預(yù)緊力的情況表明，這種仿真方式要更加接近現(xiàn)實(shí)的工況條件下的主軸狀態(tài)。