100MD60Y4电主轴油气润滑系统建模及空气流场分析
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收稿日期：２０１７－０７－２０ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１３５３１７，５１６７５３５３）；辽宁省自然科学基金项目（２０１５０２０１２２）；教育部 长江学者＂创新团队发展计划项目＂（ＩＲＴ＿１５Ｒ４５） 作者简介：张珂（１９６９—），男，教授，博士研究生导师，主要从事数控机床主轴系统关键技术方面研究．
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１１０１６８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗ ｏｆ１００ＭＤ６０Ｙ４Ｓｐｉｎｄｌｅｗａｓｂｕｉｌｔ ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｉｒｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｏｆｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｗｉｔｈｔｗｏｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｓｔａｌｌｅｄｓｉｄｅｂｙｓｉｄｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａ ｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｏｎｅｏｆｔｈｅｔｗｏｂｅａｒｉｎｇｓｃａｎｎｏｔｂｅａｄｅｑｕａｔｅｌｙｌｕｂｒｉｃａｔｅｄｗｈｅｎ ｔｈｅａｉｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓ；Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｆｌｏｗｖｅ ｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｉｎｂｏｔｈｅｘｉｔｅｎｄｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｆｒｏｎｔｅｘｉｔｓｐｅｅｄｃｈａｎｇｅｓ ｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｎｄｅｘｉｔｃｈａｎｇｅｓｓｍｏｏｔｈｌｙ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄｒｅａｒｅｎｄｓ ｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｒｅｆｌｏｗｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｅｘｉｔｅｎｄ，ｔｈｅｒｅ ｆｌｏｗ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｂｅｃｏｍｅｓｍｏｒｅｉｎｔｅｎｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄ；Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｓｅａｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｂｅａｒｉｎｇｓａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｙｐａｒｔｓｈａｓｉｍ ｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．
２０１８年 ５月 第３４卷 第 ３期
沈 阳 建 筑 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｍａｙ ２０１８ Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３
文章编号：２０９５－１９２２（２０１８）０３－０５０５－０９
５ ０６
沈 阳 建 筑 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３４卷
Ｋｅｙｏｉｌａｎｄｇａｓｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ；ｂａｃｋｆｌｏｗ
随着机床向高速高精度方向发展，电主 轴以其结构紧凑、重量轻、振动小、响应快、效 率高等诸多优点被广泛应用于车辆、航空、模 具等行业［１］．作 为 机 床 的 核 心 功 能 部 件，高 速电主轴已成为决定数控机床发展的关键， 电主轴性能的优劣直接影响加工的精度和效 率［２］．由于电主 轴 工 作 时 转 速 较 高，电 主 轴 内部轴承由于摩擦会产生很高的热量，电主 轴内部温度的升高会引起电主轴内部转子、 轴承等部件的热变形，影响机床加工精度和 电主轴使用寿命．因此，对电主轴冷却润滑的 研究显得尤为重要．目前国内通用的电主轴 润滑方式 主 要 有 脂 润 滑、油 气 润 滑、油 雾 润 滑．油气润滑是一种新型润滑方式，通过压缩 空气带动少量润滑油在管道内壁波浪形的向 前移动，形成一层薄薄的连续油膜，最终将润 滑油以连续的油滴的形式喷射到润滑点，这 种润滑方式润滑油利用率高、无污染，是目前 广泛应用的润滑方式；油雾润滑是一种集油 润滑方式，利用压缩空气产生的高速气流将 油滴雾化为微小的油颗粒，形成空气、油雾颗 粒的 混 合 气 体 进 入 摩 擦 副，弥 散 于 各 个 部 位 ［３－６］．空气流 体 在 油 气 润 滑 和 油 雾 润 滑 中 都起到了至关重要的作用，一方面高速流动 的空气带走了大量的热，降低电主轴内部温 度；另一方面，压缩空气使润滑部位保持着一 定的正压，可以很好地阻止水分和灰尘颗粒 进 入 电 主 轴 内 部，起 到 了 很 好 的 密 封 作 用［７－１５］．鉴于空气流体在电主轴油气润滑系 统中 的 重 要 作 用，笔 者 利 用 有 限 元 仿 真 软 件［１６－１８］建 立 １００ＭＤ６０Ｙ４型 电 主 轴 油 气 润 滑系统仿真模型．通过对电主轴内部空气流 场的速度云图和压力场分布的分析，对不同 转速条件下电主轴冷却密封效果进行研究．
ｄｏｉ：１０．１１７１７／ｊ．ｉｓｓｎ：２０９５－１９２２．２０１８．０３．１５
１００ＭＤ６０Ｙ４电主轴油气润滑系统建模 及空气流场分析
张 珂，王小康，张丽秀
（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 １１０１６８）
摘 要 目 的 研 究 不 同 转 速 条 件 下 电 主 轴 内 部 空 气 流 场 分 布 情 况．方 法 建 立 １００ＭＤ６０Ｙ４电主轴油气润滑流道有限元模型，对不同转速的电主轴内部空气流场进 行仿真模拟．结果 空气流体在流经轴承时，并排安装的两个轴承有一个不能得到充 分润滑；随着电主轴转速的增加，流体在电主轴前、后端的出口流速均随之增大，且前 端出口速度变化剧烈，后端出口变化平稳；分析电主轴前后两端出口压力云图发现， 前端出口存在回流现象，回流现象随着转速的增加变得更为剧烈；随着电主轴转速的 升高，电主轴轴承等关键部位冷却效果有明显提高．结论 转速增加，电主轴前后两端 出口处流体流速增大，前端出口处回流严重，关键部位冷却效果有明显提高．
关键词 电主轴；油气润滑；流场分析；回流
中图分类号 ＴＨ１６；ＴＢ３５ 文献标志码 Ａ
ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＡｉｒＦｌｏｗ ＦｉｅｌｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ１００ＭＤ６０Ｙ４ ＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅＯｉｌＡｉｒＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｋｅ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉｘｉｕ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１１０１６８）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｏｉｌａｎｄｇａｓｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎｆｌｏｗ ｏｆ１００ＭＤ６０Ｙ４Ｓｐｉｎｄｌｅｗａｓｂｕｉｌｔ ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｉｒｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄｏｆｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｗｉｔｈｔｗｏｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｓｔａｌｌｅｄｓｉｄｅｂｙｓｉｄｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａ ｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｏｎｅｏｆｔｈｅｔｗｏｂｅａｒｉｎｇｓｃａｎｎｏｔｂｅａｄｅｑｕａｔｅｌｙｌｕｂｒｉｃａｔｅｄｗｈｅｎ ｔｈｅａｉｒｆｌｕｉｄｆｌｏｗｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓ；Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｆｌｏｗｖｅ ｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｕｉｄｉｎｂｏｔｈｅｘｉｔｅｎｄｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｆｒｏｎｔｅｘｉｔｓｐｅｅｄｃｈａｎｇｅｓ ｄｒａｓｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｒｅｎｄｅｘｉｔｃｈａｎｇｅｓｓｍｏｏｔｈｌｙ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｍａｐｏｆｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄｒｅａｒｅｎｄｓ ｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｒｅｆｌｏｗｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｅｘｉｔｅｎｄ，ｔｈｅｒｅ ｆｌｏｗ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｂｅｃｏｍｅｓｍｏｒｅｉｎｔｅｎｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄ；Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅｓｐｅｅｄ，ｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇａｎｄｓｅａｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｓｐｉｎｄｌｅｂｅａｒｉｎｇｓａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｙｐａｒｔｓｈａｓｉｍ ｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．
２０１８年 ５月 第３４卷 第 ３期
沈 阳 建 筑 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
Ｍａｙ ２０１８ Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３
文章编号：２０９５－１９２２（２０１８）０３－０５０５－０９
５ ０６
沈 阳 建 筑 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
第 ３４卷
Ｋｅｙｏｉｌａｎｄｇａｓｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ；ｂａｃｋｆｌｏｗ
随着机床向高速高精度方向发展，电主 轴以其结构紧凑、重量轻、振动小、响应快、效 率高等诸多优点被广泛应用于车辆、航空、模 具等行业［１］．作 为 机 床 的 核 心 功 能 部 件，高 速电主轴已成为决定数控机床发展的关键， 电主轴性能的优劣直接影响加工的精度和效 率［２］．由于电主 轴 工 作 时 转 速 较 高，电 主 轴 内部轴承由于摩擦会产生很高的热量，电主 轴内部温度的升高会引起电主轴内部转子、 轴承等部件的热变形，影响机床加工精度和 电主轴使用寿命．因此，对电主轴冷却润滑的 研究显得尤为重要．目前国内通用的电主轴 润滑方式 主 要 有 脂 润 滑、油 气 润 滑、油 雾 润 滑．油气润滑是一种新型润滑方式，通过压缩 空气带动少量润滑油在管道内壁波浪形的向 前移动，形成一层薄薄的连续油膜，最终将润 滑油以连续的油滴的形式喷射到润滑点，这 种润滑方式润滑油利用率高、无污染，是目前 广泛应用的润滑方式；油雾润滑是一种集油 润滑方式，利用压缩空气产生的高速气流将 油滴雾化为微小的油颗粒，形成空气、油雾颗 粒的 混 合 气 体 进 入 摩 擦 副，弥 散 于 各 个 部 位 ［３－６］．空气流 体 在 油 气 润 滑 和 油 雾 润 滑 中 都起到了至关重要的作用，一方面高速流动 的空气带走了大量的热，降低电主轴内部温 度；另一方面，压缩空气使润滑部位保持着一 定的正压，可以很好地阻止水分和灰尘颗粒 进 入 电 主 轴 内 部，起 到 了 很 好 的 密 封 作 用［７－１５］．鉴于空气流体在电主轴油气润滑系 统中 的 重 要 作 用，笔 者 利 用 有 限 元 仿 真 软 件［１６－１８］建 立 １００ＭＤ６０Ｙ４型 电 主 轴 油 气 润 滑系统仿真模型．通过对电主轴内部空气流 场的速度云图和压力场分布的分析，对不同 转速条件下电主轴冷却密封效果进行研究．
ｄｏｉ：１０．１１７１７／ｊ．ｉｓｓｎ：２０９５－１９２２．２０１８．０３．１５
１００ＭＤ６０Ｙ４电主轴油气润滑系统建模 及空气流场分析
张 珂，王小康，张丽秀
（沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁 沈阳 １１０１６８）
摘 要 目 的 研 究 不 同 转 速 条 件 下 电 主 轴 内 部 空 气 流 场 分 布 情 况．方 法 建 立 １００ＭＤ６０Ｙ４电主轴油气润滑流道有限元模型，对不同转速的电主轴内部空气流场进 行仿真模拟．结果 空气流体在流经轴承时，并排安装的两个轴承有一个不能得到充 分润滑；随着电主轴转速的增加，流体在电主轴前、后端的出口流速均随之增大，且前 端出口速度变化剧烈，后端出口变化平稳；分析电主轴前后两端出口压力云图发现， 前端出口存在回流现象，回流现象随着转速的增加变得更为剧烈；随着电主轴转速的 升高，电主轴轴承等关键部位冷却效果有明显提高．结论 转速增加，电主轴前后两端 出口处流体流速增大，前端出口处回流严重，关键部位冷却效果有明显提高．
关键词 电主轴；油气润滑；流场分析；回流
中图分类号 ＴＨ１６；ＴＢ３５ 文献标志码 Ａ
ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＡｉｒＦｌｏｗ ＦｉｅｌｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆ１００ＭＤ６０Ｙ４ ＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅＯｉｌＡｉｒＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｋｅ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉｘｉｕ