基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真
基于有限元的交流伺服电机仿真分析
基于有限元的交流伺服电机仿真分析引言交流伺服电机是一种具有高精度、高速度、高功率密度的电机，广泛应用于工业自动化控制系统中。
为了提高交流伺服电机的性能和可靠性，需要对其进行仿真分析，以便更好地理解其工作原理和性能特点。
有限元分析是一种有效的仿真手段，可以通过对电机内部电磁场分布、温度场分布等进行仿真分析，帮助设计人员优化电机结构和工艺参数，提高交流伺服电机的性能和可靠性。
一、有限元分析的基本原理有限元分析是一种通过将复杂的物理问题分解为有限个简单的单元，然后对每个单元进行建模分析，最终将结果集成为整体问题的一种仿真分析方法。
在交流伺服电机的仿真分析中，有限元分析可以用于模拟电机内部的电磁场分布、温度场分布等物理现象，帮助设计人员了解电机内部的工作特性和优化设计参数。
有限元分析的基本原理如下：1. 建模：将复杂的电机结构分解为有限个简单的单元，例如三角形、矩形等，然后对每个单元进行建模分析。
2. 离散化：将连续的物理问题离散化为有限个单元，然后对每个单元进行局部的建模分析，最终将结果集成为整体问题的分析结果。
3. 求解：对每个单元进行建模分析后，将各个单元的分析结果整合，得出整体问题的仿真分析结果。
有限元分析的基本原理为电机的仿真分析提供了理论基础和分析方法，可以有效地帮助设计人员了解电机内部的工作特性和优化设计参数。
二、交流伺服电机的有限元建模在进行交流伺服电机的有限元仿真分析时，首先需要对电机进行有限元建模。
有限元建模是将电机的结构分解为有限个简单的单元，并对每个单元进行建模分析，得出电机内部的电磁场分布、温度场分布等物理现象。
在建模过程中，需要考虑电机的结构、材料、电磁特性等因素，以确保仿真分析的准确性和可靠性。
建模的关键步骤包括：1. 确定电机的结构：根据交流伺服电机的实际结构特点，确定电机的结构，包括定子、转子、绕组、铁心等部件的结构参数和材料特性。
2. 建立有限元模型：将电机的结构分解为有限个简单的单元，选择合适的有限元单元类型（例如三角形、矩形等），并对每个单元进行建模分析。
高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｆＴｈ ｒ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｍ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ａ ｄ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｓ ｎｔ ｏ ｏｒ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｍ ｒ ｔ ｅ Ｒｉｅ Ｃｏ ｒ ｌｆ Ｈ ｉｈ Ｓ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｇ ｐｅ ｄ Ｍ ｔ ｒ ｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ Ｗ ＥＮ Ｈｕ ｉｘ ｎ ａ — ｉ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｅ— ａ Ｍ ｉｙ ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ａ ｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｎｔｒ ｌ ｏ ｏ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｆｈｇ ｐｅ ｄ ｍｏ ｏ ｉ ｅ ｐｉ ｄｅ ｈｅ ｔｓ ｕ ｃ ｓａ ｅ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈｅｉ ｅｎａ ｔ ｒｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｌ， ａ ｏ ｒ ｅ ｒ ｍ
ｃｏｎｔｏ１ ｒ
Ｏ 引 言
电主轴作 为 一 种 新 兴 的 机 床 主轴 结 构 ， 采用 内
态 特 性 的 研 究 与 电 主 轴 温 升 的 控 制 是 电 主 轴 需 要 解
决 的关 键 问题 之 一 。
装 式 电机 直接驱 动形 式 ， 和传 统 的 主传 动方 式 相 比 ，
具 有结构 紧凑 、 动链 短 、 械效 率 高 、 传 机 噪声 低 、 动 振 小 和 回转 精度 高等优 点 。 电主轴 的应 用 不仅 大 大 提 高 了加 工效率 和加 工质 量 ， 降低 了产 品成本 ， 且 可 并 以实现薄 壁零件 和难加 工材料 的精密 加工 。 高速 电主 轴 是 高 速数 控 机 床 的核 心 部 件 ， 机 对 床 的加工 精度 和 效 率 影 响 很 大 ， 其 内装 式 电机 的 但 结 构 ， 得 高速 电主 轴 的发 热 量 大 ， 热条 件 差 ， 使 散 进 而 直接影 响 到 主 轴 的 精 度 。因 此 ， 高速 电 主轴 热 对
基于ANSYS的电主轴温度场仿真及分析
1975 年生， 第一作者: 宋长双， 男， 工学学士， 工程 师， 主要研究方向为数控机 床 电气 控制及数控 系 统 应 用。 ( 编辑 余 捷)
－7
( 2)
( 8) ( 9)
2 /3
式中: C 为摩擦系数( 常根据 经 验 来 确定) ; ρ 为 空 气 密 kg / m3 ; ω 为角速度， rad / s; R 为 旋转 体 的 外径， m; L 度， m。 为旋转体的长度， 1． 1． 2 电损耗 电 损 耗 主要 是 定 子 与 转 子 的 电 损 高速电主轴中， 耗， 可用下式计算: P e = I2 R = I2 ρL / S ( 3) W; I 为电流， A; ρ 为导体 的 电 阻 率， 式中: P e 为电损耗， m; S 为导体的截面积， m2 。 Ω·m; L 为导体的长度， 1． 1． 3 磁损耗 循环磁化时单位质量的损耗可用经验公式表示为 P t = CfB2 ( 4) max W; C 为 与 电 工 钢 牌 号 有 关 式中: P t 为磁 滞 损 耗 功率， Hz; B max 为磁感应最大值， T。 的常数; f 为磁化频率， 转子铁芯的损耗 由 转 差 率 来 确定， 由 于 它 的 值很 小， 可以忽略不计。 涡流损耗按下式计算: π δ ( fB ) 2 ( 5) 6 ργ c m; f 为 磁 化 式中: P 为涡流损耗功率; δ 为硅钢 片 厚 度， P = Hz; B 为磁感 应 最 大 值， T; γ c 为 铁 芯 的密度， kg / 频率， m3 ; ρ 为铁芯的电阻率， Ω·m。 1． 2 电动机生热率的计算 生热 率 q 是 指 热 源 单位 体 积 的发 热 量， 可用 下式 Q V
高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真
Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍｏ － Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｈｉ ｇ ｈ Ｓｐ ｅ ｅ ｄ Ｇｒ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｓｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ
Ｗ ＡＮＧ Ｐｅ ｎ ｇ，ＬＩ Ｗｅ ｎ－ ｂ ｉ ｎ
（ Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｉ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｘ ｉ Ｔ ａ ｉ ｙ ｕ ａ ｎ ０ ３ ０ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｃｏ ｍｐ ｅｎ ｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
１ 引言
高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要 发展方 向， 以高速度 、 高精度为主要特征 ， 是继数控 加工技术之后 ， 传统 切 削加工技术 中的有一次革命性的飞跃 。 为满足高速磨削加工的 需求 ， 高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的 核心部件。作为核心部件 ， 电主轴 的加工稳定性 和加工精度 日益 受到加工制造业的关注ｉ “ 。 电主轴处在高速加工过程时， 电机和轴 承会产生大量热量 ， 引起 主轴 的热变形 ， 如果不能有效的控制主 轴的发 热变形 ，将严重影响高速磨 削机床 的加工精度和表面质 量。 因此 ， 磨削 电主轴 的热结构耦合分析 ， 是保证机床加工精度和 表面质量的重要理论基础１ ２ ］ 。
高速电主轴动力学性能有限元分析.
高速电主轴动力学性能有限元分析摘要：文章通过建立主轴-轴承的分析模型，采用法对电主轴的振动特性进行模拟，为优化主轴的结构参数设计提供了有益的参考数据。
关键词：；；；；0引言的分析，是设计中的关键，具备良好的电主轴应该满足“高速度、高刚度、高精度”的三高特性的要求。
的分析就是要通过计算分析找出电主轴的结构设计参数对电主轴的影响，从而优化结构设计，改善动态性能。
是评价的一个重要指标，主要是指电主轴的临界转速和主。
当轴在临界转速或其他附近运转时，将引起剧烈的振动，严重时造成轴、轴承以及轴上的零件破坏，为了保证电主轴安全运行和正常工作，在机械设计时，应使电主轴的工作转速离开各阶临界转速一定的范围。
一般要求是，对工作转速低于其一阶临界转速的轴。
机械系统运动部件的研究主要是通过对运动部件进行模态分析来实现它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主），为动力学分析提供基本的分析数据。
通过分析可以判断出机床转动部件的转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。
1分析的优势目前轴承—主轴系统常用的动力分析方法之一法，虽占用储存空间大，计算速度慢，但却有较高的计算精度。
法的基本思想是将求解域看成是由许多称为的小的互连子域组成。
对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件）的解，这个解不是准确解而是近似解。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型分析系统。
其功能强大、适用领域非常广泛。
除了可进行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析。
在此采用分析软件，对研发的加工中心电主轴进行振动模态分析，以检验其设计的合理性。
2轴承-主轴系统模型的建立本文选用的电主轴（主轴参数见表1）是一种阶梯轴，具有中空，多支承的特点，如图1所示，同时，主轴承受多种载荷，主轴前端承受切削力和弯矩，内装电机转子传递给主轴的转矩等主轴在三组轴承支承下高速旋转。
基于有限元方法的电主轴模态分析
ＩＩ－－ ： … 一 一： （ ＢＫ ． ｚ ： Ｉ ５ Ｉ２ 一 ：１ ： ｍ ∞ ： 一 ｏ ） ：
Ｉ — Ｈ Ｋ２ ２ … Ｋ — Ｍ Ｋ ｍ１ ＾ ｍ 一 Ｃ Ｏ 缈ｌ
将 此式 展开 可得 ∞ 的 ｎ次方 程 ，形 式 如下 ：
基金项目：广西科技厅科技攻关项 目 （ 桂科攻０ ９０ ２ ），高等学校特色专业建设项目 （ＳＺ ９ ） ９２０— ６ Ｔ Ｉ０８ 作者简介：粱双翼 （９８ １７ ～） ， ， 西柳 州人 ， 师 ，工学硕士 ，主要从事Ｃ ＤＣ 女 广 讲 Ａ ， Ａ 方面的研究 。 Ｅ 第３ 卷 第１ ２１－ （ 【７ ４ 期 ０２ １下） ５】
每 一阶 模 态 都 具 有 特 定 的 固 有 频 率 和 模 态 振 型 等 模 态 参数 。模 态分 析 目的 就 是 识 别 出系 统 的 模 态
） 口 ） 以 ） …＋ ｌ ） ＝０ （） ｌ ＋ ２ ＋ 一 ＋ ＋ ６
该 方程 为 系统 特征 方程 ，求 解该 方程 可求 得 ｎ 个 ∞ 根 ，为特征 值 ，开方 后可 得到 １个 固有频 率 ， １ ＿ 按 照 从 小 到 大 的 次 序 称 为 第 １ 、第 ２阶 、 …… 阶 第 １阶 固 有频率 。 １
务Ｉ 匐 似
是 Ｈ０ ５ Ｌ龙门数控铣床电主轴的转子轴结构简图。 转子 轴 在 前 后各 两 个 轴 承 的 支 承下 高 速 旋 转 ，轴
【 】０ ［ ＞ ｏ Ｃ ＝ ，＿ ＝ ，简 化后 的运 动 方程 Ｑ
在对主轴单元进行有限元分析时不必考虑这两者。
［ 位 ＋Ｋ ｛ ＝０ Ｍ】｝ ［】 ） ｛ ｘ ｝
股穗 日翔 ：２ １－０－１ ０１ ８ ２
（） ２
设系统各质量块按照 同频率 和同相位作间谐
电主轴论文：电主轴 热-结构耦合 ANSYS 有限元分析
电主轴论文：电主轴热—结构耦合特性分析【中文摘要】电主轴是机械加工机床的核心部件,电主轴技术水平的高低直接决定着机械制造业水平的高低,企业效率的提高至关重要的因素是机床转速的高速化,机床转速的提高就意味着电主轴转速的提高,随着转速的提高主轴发热量增大使变形严重主轴轴承烧毁或报废等,研究表明发热量增大与主轴轴承的预紧力和内外圈装配过盈量有很大关系。
首先根据电主轴机械性能指标建立主轴模型,由高速电主轴高速情况下的边界条件对电主轴的发热量和热变形进行计算给出合理的发热量和热变形条件,并对主轴的负荷分布进行分析,为后续有限元分析的边界条件和载荷施加做准备,其次,结合有关理论对电主轴的温度场、热变形、预紧力和内外圈配合过盈量进行计算并得出相应的数据。
最后利用有限元分析软件ANSYS对主轴模型进行有限元热分析、热-结构耦合分析,分析中将预紧力和接触热阻等作为边界条件施加到主轴模型中,得出电主轴的热分布、热梯度和热变形图,由得出的分析结果反推出最佳预紧力与配合过盈量。
并对分析得出的结果与前面的计算进行对比总结。
通过研究最终得出电主轴的其最佳预紧力和内外圈装配过盈量,使主轴的发热量控制在最小,变形量也控制在主轴运转所需的精度范围。
【英文摘要】Motorized spindle is the core component of mechanical processing machine, electric spindle technical level directly decides the mechanical manufacturing level, theenterprise to enhance the efficiency of the crucial factor is high speed machine tool, the machine speed increase means electric spindle speed increase, with the speed increase calorific value increases make deformation serious spindle spindle bearing burned or scrap, research show that increase with the calorific value of the spindle bearing pre...【关键词】电主轴热-结构耦合 ANSYS 有限元分析【英文关键词】Motorized spindle Thermo-Structure Coupling ANSYS Finite Element Analysis【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】电主轴热—结构耦合特性分析摘要2-3ABSTRACT3-4第1章绪论7-13 1.1 研究背景7-8 1.2 研究现状8-11 1.3 课题的研究内容和对象11-13第2章电主轴构造及特性13-19 2.1 电主轴系统13-16 2.1.1 电主轴的结构和工作原理13 2.1.2 电主轴的分类及其特点13-16 2.2 电主轴的支承方式16-18 2.3 电主轴的主要应用性能指标18 2.4 本章小结18-19第3章电主轴组件选配及建模19-35 3.1 电主轴组件选配及意义19-20 3.2 电主轴的受力分析20-28 3.2.1 角接触轴承单元选配22-25 3.2.2 圆柱滚子轴承单元选配25-26 3.2.3 钢制轴承与陶瓷滚子轴承的比较26-27 3.2.4 高速刀具系统的选配27-28 3.3 电主轴的制造装配工艺28-30 3.3.1 电主轴的辅助设计技术29 3.3.2 电主轴的制造技术29-30 3.3.3 高速主轴电机的制造技术30 3.4 电主轴的优化设计及分析30-32 3.4.1 电主轴的轴向优化设计分析30-31 3.4.2 电主轴的径向优化设计分析31-32 3.5 电主轴的机械设计图32-33 3.6 本章小结33-35第4章电主轴的温度场及热变形的计算35-71 4.1 电主轴热传导35-41 4.1.2 热传导方程36-38 4.1.3 温度场边界条件38-40 4.1.4 温度场的求解40-41 4.2 电主轴轴承发热量的计算41-43 4.3 电主轴轴承支承刚度的计算43-44 4.4 主轴轴承预紧力及内外圈配合过盈量的计算44-48 4.5 电主轴热变形理论计算48-59 4.5.1 电主轴三维热传导问题的级数解51-52 4.5.2 电主轴的热传导特点和数学描述52-59 4.6 最佳热配合理论及研究59-69 4.6.1 滚动体与内外圈游隙量变化的理论分布计算60-66 4.6.2 热变形对轴承游隙影响的理论分布与计算66-67 4.6.3 热变形对主轴轴承配合过盈量影响的理论分析与计算67-69 4.7 本章小结69-71第5章电主轴的热-结构耦合分析71-91 5.1 电主轴ANSYS 热-结构耦合分析的原理71-73 5.2 电主轴热-结构耦合分析的基本步骤73-76 5.2.1 电主轴分析模型的建立73 5.2.2 分析的边界条件的建立及属性选择73-75 5.2.3 分析模型的处理75-76 5.3 电主轴的热分析76-81 5.4 电主轴的热-结构耦合分析81-89 5.4.1 热-结构偶和分析结果81-82 5.4.2 综合面计算和本章的分析所得的数据关系82-89 5.5 本章小结89-91第6章结论与展望91-93 6.1 结论91 6.2 展望91-93参考文献93-97致谢97-98攻读硕士学位期间的研究成果98。
基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化
3.2提高企业竞争力随着工业发展的转型升级，其机械化水平在飞速提高。
机械设备朝着大型化、信息化的方向发展。
在高科技、高尖端器械出现的同时，对其进行维修的技术含量也在不断提高，这也体现了维修的重要性，给维修企业带来广阔的发展前景。
提高维修技术、优化维修服务对汽车维修企业的生存发展十分重要。
在经济全球化的大趋势下，企业不仅要面对国内同行的激烈竞争，还要面对国际市场的挑战，企业想要更好的生存和发展，提高竞争力十分必要。
在重视“绿色”发展的当下，政府对“绿色产业”的重视程度不断提高，出台相关的保护政策，更好的推进“绿色产业”的发展。
“绿色企业”是这个时代企业发展的主流，只有在汽车维修企业中推广“绿色维修”才能抢占市场先机，获得更好的发展机会。
环境污染程度大、资源利用率低的汽车维修企业，其发展的局限性显而易见。
汽车维修企业推广“绿色维修”，需要选择先进的科学的维修技术和新型环保材料，实现企业经济效益的同时，实现社会效益和环境效益。
只有这样的维修企业，才能在社会发展过程中，成为汽车维修行业的最大获益者，激烈竞争下的生存者。
传统的汽车维修企业必将遭到淘汰。
在汽车维修企业中推行“绿色维修”，无论是对企业自身、行业发展，乃至社会国家的发展，都有不可估量的价值。
4结束语“绿色维修”可以对经济效益的增长和环境效益的增加起到双管齐下的作用。
最大程度地减少资源和能源的使用量，降本增效，为生态环境的保护贡献自己的力量。
无论从经济发展的视角，还是从环境保护和社会发展的角度分析，“绿色维修”都是符合五大发展理念。
“绿色维修”使多方面的综合性的体系模式，推行“绿色维修”也是有利于可持续发展，“绿色维修”在汽车维修企业的不断推广，是实现维修行业可持续发展的重要手段。
参考文献［1］周红，李辉，张云杰.“绿色维修”及其在维修企业中推行的价值［J］.价值工程，2002（6）：36-38.［2］程会强，吴玉锋.绿色维修战略与循环经济［J］.再生资源与循环经济，2009，2（7）：27-30.［3］陈宇晓.绿色维修的实施策略［J］.设备管理与维修，2003（10）：9.〔编辑李波〕基于ANSYS Workbench的高速电主轴静动态性能仿真分析及优化丘立庆(南宁职业技术学院,广西南宁530008)摘要：采用有限元分析软件ANSYS Workbench18.0建立电主轴三维有限元模型,进行静态力学分析和模态分析。
高速高精度数控车床主轴系统的温度场建模与仿真
3１７4第２５卷 第２期 ２００３－２ 高速高精度数控车床主轴系统的温度场建模与仿真郭 策，孙庆鸿，蒋书运，陈 南，朱壮瑞，秦绪柏，王金娥（东南大学 机械系，南京 ２１００９６）摘 要：基于高速高精度数控车床主轴回转系统热特性设计要求，本文建立了高速主轴系统的温度场模型和数字模拟仿真，并由热试验测试结果表明，与计算结果有很好的一致性。
这为该主轴系统的热应力及热变形设计奠定了基础。
关键词：主轴系统； 温度场； 有限元法中图分类号：ＴＧ５０２．１５ 文献标识码： Ａ文章编号：１００９－０１３４（２００３）０２－００１７－０３Thermal model and simulation of high-speed spindle system on NCprecision latheGUO Ce, SUN Qing-hong, JIANG Shu-yun, CHEN Nan, ZHU Zhuang-rui, QIN Xu-bai, WANG Jin-eAbstract: Temperature distribution of high-speed spindle system was modeled and simulatedwith FEM for thermal design required by NC precision lathe , the results were in accordance with experiment results very well.So,the model is reliable for further analysis of thermal stress and thermal strain.Key words : spindle system; temperature distribution; FEM收稿日期： ２００２－０９－０９基金项目：江苏省十五重大科技攻关招标项目（ＢＥ２００１０６８）作者简介：郭策（１９７１—），女，东南大学机械系博士研究生，讲师，研究方向为高速主轴系统的动态特性分析与优化设计。
基于有限元分析的某型设备温度场数值仿真研究
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald42过保温会引发设备相关结构部件的尺寸和形状产生热变形误差，产生机械故障而使其性能下降和使用寿命降低。
国军标GJ B150A [1]、美军标M I L -S T D -810F [2]和英军标DEF 07-55[3]提出用直接测量法来确定设备在高低温环境中适应能力。
但人工测量费时费力，若采用放置温度传感器的方法，对不同结构的设备，复杂程度不同。
若要求精确得到试验温度稳定时间，对温度传感器数量的确定、放置位置的细化选择是否科学合理(包括能否放置进精密仪器内问题、放置后对试验的影响、舱门和箱盖能否关闭)等多种问题可能同时存在。
GJ B150的修订版GJ B200X[4]强调新的设备环境试验标准在试验程序的选取和试验方案的制定上的剪裁性。
目前国内对温度试验技术及温度环境对设备影响的相关研究还不够全面。
若要在试验前确定试验温度稳定时间，目前尚无结构模型可以衡量，也无基础性科学研究和理论数据支撑。
1 数值仿真研究1.1 数学计算分析[5](1)内部微分方程，非稳态、具有内热源的设备内部导热微分方程为：(1)式(1)中：=(,,,)()为热力学温度分布函数；(s)为时间；(W/(m ·K))为微元材料的导热系数；微元材料单位质量定压热容为c (J/(k g ·K ))；微元物质的密度为DOI：10.16660/ k i.1674-098X.2016.17.042基于有限元分析的某型设备温度场数值仿真研究韩东霏 陈典斌 马俊英 王芳（中国白城兵器试验中心 吉林白城 137001）摘 要：步入式试验室与现有技术标准指导的小型试验箱相比，在参数检测条件、被试品评定等方面具有针对性指导的相关技术方法较少，且现有温度试验技术零散，缺乏系统性、规范性和针对性。
针对上述理论原因并结合试验实际情况，对两种典型设备开展温度场仿真建模，从数值计算基础上进行了温度场的数值分析，得到了其温度分布云图并给出了准确的内、外部温度稳定时间，解决了实际试验中温度稳定时间难确定的问题，并在理论上提供了数据支撑，为下一步开展理研项目研究奠定理论基础。
电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究
电主轴温度场与热变形的仿真与实验研究沈雨苏;陈蔚芳;罗勇;崔榕芳【摘要】以Setco 231A240型高速电主轴为研究对象,考虑了内置电机的损耗生热和轴承的摩擦生热,计算了电主轴各部分之间的传热系数,利用有限元软件Workbench建立电主轴有限元模型,分析得到了电主轴在不同因素影响下的温度场分布,基于电主轴热-结构耦合关系分析得到了温度影响下电主轴的热变形.仿真结果显示,较低转速下电主轴转子温度最高,转速对电主轴温度影响较大;电主轴头尾部热变形较大,主要为轴向变形.最后,将温度场仿真数据与实验数据对比,验证了仿真分析的准确性.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2018(036)012【总页数】6页(P18-22,28)【关键词】电主轴;生热;传热;温度场;热变形【作者】沈雨苏;陈蔚芳;罗勇;崔榕芳【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH133.2;TG502.150 引言电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低和响应快等优点[1]，在数控机床上获得了广泛应用。
在实际加工过程中，电主轴的内装电机与轴承分别因损耗和摩擦产生大量的热，从而导致电主轴产生热变形。
热变形过大会影响电主轴的加工精度和使用寿命，因此对电主轴温升及热变形的研究是有必要的。
国内外对电主轴温升、热变形的研究已取得大量成果。
张丽秀等通过单一因素法研究了电主轴系统冷却水流量、空气压力等参数对电主轴温度的影响，得到了电主轴的最优工况参数，将有限元模型与试验数据相结合，提出了高速高精度电主轴温升预测模型[2-3]；刘一波等利用Fluent得到了电主轴的稳态温度场，并通过实验验证了仿真的准确性[4]；谢黎明等研究了电主轴的热变形量并提出了抵消热变形量的方法[5]；吴玉厚等通过仿真和实验比较分析得出了电主轴外壳温度变化过程[6]；姜本刚等对电主轴模型的温度场、轴向位移场及应力场进行仿真，得到了电主轴的最高温度和最大轴向位移[7]；康跃然等基于电主轴内部多参量耦合关系建立了电主轴热-结构耦合计算方法，并与试验数据对比，提高了模型计算精度[8]；袁忠秋等研究了在不同转速下油气润滑流体流经电主轴时的速度场分布情况，并提出增加出口长度可提高回流现象出现的临界转速[9]；Grama等提出了一种基于模型的新型冷却策略，能有效减少热误差，并进行了实验验证[10]；Uhlmann等考虑了电主轴复杂的边界条件，对电主轴热态特性进行了模拟和预测[11] 。
高速电主轴的有限元分析
关键词 ： 有限元 分析 ； ｍｙ； Ａ ｓ 电主轴
中图分类号 ：Ｐ ９ ． Ｔ３１２ ７
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：６ ２ ５ ５ （０ ７０ － ０ ０ ０ １ ７ － ４ Ｘ２ ０ ）５ ０ ４ — ２
段 的密度增加值［ 所 以需要 附加密度 ， ２ １ ， 定义两次材料属性 ， 分 别生成 面模型 ， 在生成 体的时候 ， 定义材料与面一样 ， 即生成两 种不用的材料。两种材料的弹性 模量均为 ２ ０Ｍ ａ 泊松 比 ×１５ Ｐ ， 均为 ０３ 材料 的密度分 别为 ７ ０ ｋ／ ７ ３．ｋ／ ．， ８０ ｇ 和 ８ ４ ｇ ｍ 。网格 ｍ ２ 划分后 的模型如图 １ 所示。 ｂ ＋ ｂ ２ ｂ源自 １ ＋ ３（ ｍ） Ｎ／
式中 ： 为轴承 的径 向弹性位移 ； 为轴承外圈与箱体 ８ ８ 孔配合处 的接触变形 ； 为内圈与主轴配合处 的接触变瑷。 ８，
下
变、 膨胀 、 应力 强化 ， 大变形和 大应 变的特性 【 由于在轴 的中 ｌ １ 。 间部位作用有 转子 质量 ， 将轴上 附加 的转子质量转化为相应轴
簧 另 一 端 的 ４ 节 点 ， 图 ２的 Ｔ 、 ６１ 、８这 ４个 节 点 ， 个 即 ５ Ｔ 、 ７Ｔ ＿ 在
主轴进行 了模态分析 ， 确定其 固有频率及振型 ， 其结果为作进
一
步的动态特性分析和评价电主轴 的动态特性提供了依据 。
１ 电主轴 的有 限元 模型
本模 型采用沿轴旋转 面的方式建 立实体模 型和有 限元 网 格。 先建 立一个截 面 ， 然后沿一根轴线来旋转生成模型和网格。 选用 Ｓ ＬＤ ５三维实体结 构单元对 主轴 主体进行网格划 分。 Ｏ Ｉ４
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计
应用有限元方法对高速电主轴的优化设计摘要：介绍了高速电主轴的结构特点，应用有限元分析软件ANsYs以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计，并对优化后的结构进行了热态校核。
关键词：高速电主轴；优化设计；有限元；热态分析90年代以来，我国的机床制造业发展迅速，设计和制造水平都有很大的提高，整体趋向高速、精密、绿色等方向发展，特别是近几年，代表着先进制造水平的数控机床和加工中心；很多国内厂家已开始产生。
在2003年北京国际机床展上，参展的主轴转速超过10000r／min的高速加工中心共有53台，其中国内产品占到24台。
但同时也不可否认，我国机床与国外先进的设计和制造水平相比还有比较大的差距，很多诸如电主轴、控制系统等关键部件，仍然依赖国外配套，自主开发能力不足。
在这种情况下，只有解决并提高关键部件的设计制造水平，才能摆脱对国外技术的依赖，从根本上促进我国机床行业持续发展。
我校高速加工实验室自90年代以来一直从事机床关键部件高速电主轴和快速进给单元的研究，自行开发了国内第一个高速大功率电主轴——GD一Ⅱ型电主轴，该电主轴采用“零传动”的传动方式，电机内置在机床主轴上，直接驱动主轴转动，从而去掉了传统传动链上的皮带、齿轮、联接键等，通过采用变频调速技术使主轴达到很高的转速，它的典型结构和系统组成如图l所示…。
主要具有以下几个特点：(1)结构简单紧凑，能很好地解决传统皮带或齿轮等方式传动在高速运转条件下所引起的振动和噪声问题。
(2)提高生产率，可在最短时间内实现高转速，也即是主轴回转时具有极大的角加速度。
(3)电机内置于主轴两支承之间，可有效地提高主轴系统的刚度，同时也提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。
目前，在试验成功的基础上，这种电主轴已经进入产业化，为了达到更高的设计要求和水平，并保证电主轴更高的可靠性，我们采用了有限元分析(Finite Element Analysis)对电主轴进行优化设计。
AD1130电主轴温度场的虚拟仿真分析
Ａ １ Ｄ ０电主轴 温 度 场 的虚 拟 仿 真分 析 １ ３
刘静 香 张 ， 利
（． １ 河南机 电高等专科 学校 ； ． 乡市质 量技 术监督检验测试 中心 ， ２新 河南 新 乡４３ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ） ５ ０２ 摘要 ： 分析 了高速 电主轴 中电机 的损耗发热和轴承 的摩擦发 热， 运用 有限元分析 软件 Ａ Ｓ Ｓ建 立 了电主轴温度 ＮＹ
第ｌ ７卷 第 ６期 ２０ ０９年 １ １月
河南 机电高等专科学校学报 Ｊｕ ａｏ Ｈｎｎ ｅｈｎ ａａｄＥｅｒ ａＥ ￣ ｅｆｇＣｌｇ ｏｒ ｅａ ｃａｉ ｌ ｎ ｌｔｃ ｎ ｎｅｎ ｏｅｅ ｎ ｆ ｌ Ｍ ｃ ｃｉｌ ｉ ｌ
Ｖｏ ． ７ № ． １１ ６
ＮＯ ． Ｏ ９ Ｖ２ Ｏ
将实际结构转换为有限元分析模型时， 一般需要考 虑下面几点：１利用 结构的对称性 以减少计算 的规模。 （） ｄ —— 轴承 内径 ； （） ２ 删除细节。实 际结构往往是 复杂的 ， 在建立模型时常 Ｄ ——轴 承外 径 ； 厂 ０ —— 与轴 承类型和润滑方 式有关 的经验常数 ； 常将零件或构件上的一些细节加以忽略而删去。例如构 件上的小孑 、 Ｌ浅槽 、 小 的凸台 、 微 轴端 的倒 角 、 的退刀 轴 ｎ —— 轴承转速 （／ ｉ） ｒｍ ｎ ； 槽 、 、 圆弧等。（） 键槽 过渡 ３减维。 在 工作温度下润 滑剂 的运动粘度 （Ｓ） ｃｔ。 根据 电主轴 的对 称设计理 论 ， 简化 电主 轴的 内部 Ｍｌ Ｐ ｄ （ ・ ｍ） ＝ １ Ｎ ｍ 巧妙 地利 用 设计 过 程 中的对 称 性 ， 电主轴模 对 式 中 —— 与轴承类 型和所受 负荷有关 的系数 ； 结构 ， 型进行简化 。电主轴 在结构上 大 多数 是沿 轴对 称的 ， ０ ０ １ ） 。 ． ０ （ 。 例如 ： 子 、 子 、 心 轴 、 承。 因此 可 以 只取其 轴 定 转 空 轴 剖面的一半建立 有 限元 模型进 行研 究 。 电机 的定 子 、 式 中 —— 轴承 的当量 静载荷 ； Ｃ 轴承 的额定 静载荷 ； 。 —— 转子 和轴承 均可 当做 厚壁 圆 筒 。定子 冷 却 套 上 的螺 旋槽 可等 效 为 环 形 槽 。为 了简 化 计 算 ， 电主 轴 中 的 Ｐ ——确定轴承摩擦 力矩 的计 算负荷 。 １ １２ 轴承 发热量 的计 算 ．． Ｈ Ｋ拉刀 机构及后 支座不 参加有 限元 的建 模 ； Ｓ 忽略轴 端 的倒角 、 的退刀 槽 以及其他 一些细 小结 构。 轴 轴 承发 热量 Ｑ为 ： 因为电主轴 的模 型 比较复 杂 ， 以采 用 自底 向上 所 Ｑ＝１０ ７Ｘ ０一ｎ ．４ Ｍ １ 的建模 方法 ， 即先 创建 关键 点 ， 然后 依 次 创 建相关 的 式中 （ Ｉ 摩擦热 （ —— Ｗ）； 线、 ， 面 最后生成 电主轴模 型如 图 ２ 示 。 所 ， ｚ ——轴 承转 速 ； ２ ２ 电主轴结构 几何模型 的网格划 分 ． 轴承摩擦力 矩 。
基于ANSYS的机床电主轴温度场计算仿真分析
Ｋｅ ｙｗｏ ｄｓ：ＣＮＣ；Ｍｏｏ ｚ ｄ Ｓ ｉ ｄ ｅ；Ｔｅ ｅ ａｕ ｅ Ｆ ｅ ｄ；Ｓ ｍｕ ａｉｎ；ＡＮＳ ｒ ｔｒ ｅ ｐｎ ｌ ｉ ｍｐ ｒ ｔｒ ｉ ｌ ｉ ｌｔｏ ＹＳ
制 造技术 的发展 对数 控机 床的精 度和可 靠性 提 出 了越来 越高 的要求 ， 机床 的精密 化 、 速化 已经成 为一 高
本 文 中 ， 轴承 选择 Ｓ Ｆ的 ７ ９ ５ Ｅ Ｈ 前 Ｋ １ １ Ｃ ／ Ｃ角 接触 球轴
承， 后轴 承选择 Ｓ Ｆ的 ６ ９ ３深 沟 球轴 承 。本 次计 算 Ｋ １１
图１ 高速 电主轴结构
中 ， 设 加 工 工 件 为４ 钢 ， 主 轴 的 转 速 为 ８ ０ ０ 假 ５ 电 ０ ｒｍ ｎ ／ ｉ。前后 轴承 的参数 如表 ２所示 。
ＬＩＣｈ ｎ ｑ ￣ ｅ ｇ ｉ￣
，
ＺＨＡＮＧ ａ ｄ ｎ ￣￣ Ｘｉｏ ｏ ｇ
，
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（ Ｓｚｏ ｃｄｍ ｉ ｎＪ ｏ ｎ ｎｖｒｔ， ｕｈｕ ２ ２ ， Ｈ ＠ ｕｈｕＡ ａｅ ｙＸ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｓｙ Ｓｚｏ ， ０ Ｃ Ｎ； ａ ａｏ ｅｉ １ １ ５ ②Ｘ ｎＪ ｏ ｎ ｎｖｒｔ， ｉ ｎ７０４ ，Ｃ Ｎ） ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉｅｓｙ Ｘ １０９ Ｈ ａ ａｏ ｉ ａ
个 不 可阻挡 的发展 趋 势 。在 精密 加 工 中 ， 由机床 热 变 形所 引起 的制 造 误 差 占总误 差 的 ４ ％ ～７ ％ … 。在 ０ ０
仿 真分析 、 减小 电 主轴 的温 度 场 分 布不 均 匀 对减 小 电 主轴热变 形至关 重要 。 对 主轴 系统热 特性 的研 究 ， 年来 主要集 中在 主 近
基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真
基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真陈红蕾【摘要】高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于其主电动机的散热条件较差,轴承温升比较高,由此引起的热变形会降低机床的加工精度.本文对高速电主轴的温度场进行了研究,建立了电主轴的有限元仿真系统.在对整个温度场的研究中,把内部空间域离散化为有限单元,对每个单元求解,可得出有限个热传导方程,对这些温度场求解得到了所需的温度场分布图.最终实现了对电主轴温度场的预测,并据此提出了改善其热态特性的措施.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】3页(P41-43)【关键词】高速电主轴;有限元分析;温度场【作者】陈红蕾【作者单位】兰州工业研究院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG74.9高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,现代数控机床和加工中心的发展主要方向和特征是机床的高速化[1]。
高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热是不可避免的,由此引起的热变形很有可能降低机床的加工精度,因此,在实际加工过程中,电主轴温度场的变化成为影响加工精度的一个主要因素。
本文以一种车铣加工中心电主轴为例,运用有限元软件ANSYS对其温度场进行仿真分析,并据此对其热稳性提出了改善措施。
1 高速电主轴的结构高速电主轴的典型结构如图1所示。
电主轴其实是内装式电动机主轴,主要由无外壳主轴电动机、前后轴承和主轴箱体等组成。
电动机的转子采用压配方法与主轴做成一体,主轴则由前后轴承支撑,电动机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体。
这种结构与传统的用带、齿轮等作末端传动的结构相比,可较大提高主轴系统的刚度,也就提高了系统的固有频率,从而提高了其临界转速值,这种结构简单、紧凑,也可用于多轴联动机床、多面体加工机床和并联机床。
现在,电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品[2],瑞士的 FISCHER公司、IBAG 公司和 STEP-UP公司,德国的GMN公司和FAG公司,美国的PRECISE公司,意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司,日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司等都能供应标准系列的电主轴。
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陈 红 蕾
（ 兰州 工 业研 究 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ ） 甘 ３ ０ ０
摘 要 ： 高速切 削加 工是 先进 制造 技 术 的 主要 发 展 方 向之 一 ， 高速 电主 轴作 为 高速 加 工 机床 的核 心 部件 ， 由于其 主 电动 机 的散 热 条件 较差 ， 承温升 比较 高 ， 轴 由此 引起 的 热 变形 会 降低 机床 的加 工精 度 。 本
ｄｏ ａ ｎ ｉ ｉｃ ｅ ｉｅ ｉ ｏ ｔ ｉ ｉｅ ｅｅ ｅ ｔ， ｏ ｖ ｏ ｅ ｃ ｕｎ ｔ ｍ ｉ ｓ ｄ ｓ ｒ ｔｚ ｄ ｎｔ ｈｅ ｆｎ ｔ ｌ ｍ ｎ ｓ ｌ ｅ ｔ ａ ｈ ｉ ，ｗ ｈ ｃ ｃ ｎ ｍ ａ Ｓ ｏ ａｎ ｔ ｅ ｌｍ ｉｅ ｅ ｔｃ ｎｄｕ ｔｖｉｙ ｅ ａ— ｉｈ ａ ｋｅ Ｕ ｂｔ ｉ ｈ ｉ ｔ ｄ ｈ ａ ｏ ｃ ｉ ｔ ｑｕ ｔｏｎ Ａ ｎ ｉ ｏｌ ｎ ｈｅ ｅ ｔｍ ｐｅ ａｔ ｒ ｉｌ ｗｅ ｃ ｎ ｏ ａ ｎ ｔ ｅ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉｌ ｉ ｔｉ ｉ ａ ｈ ｅ ｄ． Ｆｉ ｌｙ， ｉ ． ｄ ｖ ａｓ ｖｉｇ ｔ ｓ ｅ ｒ ｕ ｅ ｆｅｄ， ａ ｂｔ ｉ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆｅ ｄ ｄ ｓ ｒｂｕｔｏｎ ｍ ｐ ｔ ａｔｗｅ ｎ ｅ ｎａ ｌ ｗ ｅ ｈ ｖｅ ｒ ａ ｉｅ ｈｅｆ ｅ ａ ｔｔ ｈ ｌ ｃ ｒｃｔ ａｎ ａ ｅ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ｉ ｌ ｄ ｐｕ ｏｒ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｏ ｉ ｐｒ ｅ ｉｓ ｔ ｒ ａ ｅ ｌｚ ｄ ｔ ｏｒ ｃ ｓ ｏ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔ ｉｉｙ ｍ ｉ ｘｌ ｅ ｒ ｔ ｅ ｆｅｄ ａｎ ｔｆ ｗ ｒ ｈｅ ｍ ａ ｕ ｅｔ ｍ ｏｖ ｔ ｈｅ — ｍ ａ ｔ ｔ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｃ ｏｒ ｎ ｔ ｈｅ ｒ ｓ ａｒ ｈ． ｌｓａ ｅ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉ ｔｃ ａ ｃ ｄｉｇ ｏ ｔ ｅ ｅ ｃ ． Ｋｅ ｒ ｓ： ｉｈ－ ｐｅ ｄ ｍ ｏ ｏｒｚ ｄ ｓ ｎｄｌ Ｆｉ ｔ ｌ ｍ ｅ ｔｍ ｅ ｈｏｄ， ｅ ｐ ｒ ｔ ｅ ｆｅｄ ｙ ｗｏ ｄ Ｈ ｇ ｓ ｅ ｔ ｉｅ ｐｉ ｅ， ｎｉｅｅ ｅ ｎ ｔ Ｔ ｍ ｅ ａ ｕｒ ｉｌ
关键 词 ： 高速 电主 轴 ； 限元 分析 ； 有 温度 场
中 图 分 类 号 ： ４ ９ ＴＧ ７ ． 文献标 志码 ： Ａ
ＣＨ ＥＮ ｏ ｌ ｉ Ｈ ｎｇ ｅ
Ｔｈｅ Ｓ ｍ ｕｌ ｔ ｏ ｎ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ Ｆｉ ｌ ｆ Ｈ ｉ ｈ Ｓ ｅ ｄ Ｍ ｏ ｏ ｉ ｅ ｐｉ ｄｌ ａ ｅ ｎ Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｔ Ａｎａ ｙ ｉ ｉ ａ ｉｎ ｉ ｍ ｒ ｔ ｒ ｅｄ ｏ ｇ ｐ ｅ ｔ ｒ ｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｎｉｅ Ｅｌ ｍ ｎ ｌ ｓｓ
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ｓ ｉ ｄ ｅ ｅ ｔ ｂ ｉｈ ｄ ｔ ｅ ｆ ｉ ｌｍ ｅ ｔｓｍｕ ａ ｉｎ ｓ ｓ ｅ ｐ ｎ ｌ ， ｓ ａ ｌ ｅ ｈ ｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ｉ ｌｔｏ ｙ ｔ ｍ． Ｉ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｔ ｈ ｎ ｉｅｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉｌ ｓ ｎ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｏ ｔ ｅ ｅ ｔｒ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｆ ｄ，ｔ ｅ ｉ ｔ ｒ ａ ｐ ｔ ｌ ｅ ｈ ｅ ｎ ｌｓ ａ ｉ ｎ ａ
文 对 高速 电主轴 的温度 场进行 了研 究 ， 立 了电主 轴 的有 限元仿 真 系统 。在 对 整 个 温度 场 的研 究 中 ， 建 把
内部 空间域 离散 化 为有 限单元 ， 每 个单元 求解 ， 对 可得 出有 限个 热传 导 方程 ， 对这 些 温度 场 求 解得 到 了所
需的温度 场分 布 图。 最终 实现 了对 电主轴 温度 场 的预 测 ， 并据 此提 出 了改善 其 热 态特 性 的措施 。