超高速空气静压轴承电主轴损耗及热特性分析
高速滚珠轴承电主轴热态特性分析
高速滚珠轴承电主轴热态特性分析姜本刚;雷群;杜建军【摘要】为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真.研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗.结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式.结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域.将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域.设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性.%To study the influence of the thermal characteristics of the motorized spindle of ball bearings on its performance,the heat source calculation and the thermal characteristic simulation of the bearing were performed.The heating consumption of the bearing was analyzed by the local heat calculation method.It is found that the influence of the bearing speed on thermal consumption is greater than that of axial load,and the ball's spin is the main form of the ball bearing heating.Based on the calculation results of heat source,the steady-state and transient-state analysis were performed respectively by ANSYS under a certain speed with no load.The result shows that the highest temperature appears in the iron core of the motor rotor.The thermal-structure coupling analysis was carried out by loading the steady-state thermal analysis results to the finite element model.The results show that the maximum axial displacementappears at the front of the spindle,and the maximum axial stress appears on the contact point between the ball and the outer ring of the front bearing.An experiment of temperature rise measurement was performed by a no load spindle,the measuring results verified the accuracy of the simulation results.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)002【总页数】8页(P6-12,18)【关键词】电主轴;角接触球轴承;局部热计算法;热分析【作者】姜本刚;雷群;杜建军【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055;广州市昊志机电股份有限公司广东广州511356;哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TH133.37电主轴是高性能机床的核心部件，将转轴、驱动电机和轴承集成为一体，其性能直接决定了高速切削的质量[1]。
超高速电主轴的热态特性
超高速电主轴的热态特性朱红萍;盛鹤松【摘要】在分析高速切削加工特性的基础上,对超高速电主轴的传热特性进行了研究,指出了高速电主轴的主要发热源,提出了有效改善电主轴热态特性的润滑冷却措施.【期刊名称】《沙洲职业工学院学报》【年(卷),期】2010(013)001【总页数】3页(P30-32)【关键词】高速;电主轴;热态特性;散热【作者】朱红萍;盛鹤松【作者单位】沙洲职业工学院,江苏,张家港,215600;张家港市天运建筑机械有限公司,江苏,张家港,215600【正文语种】中文【中图分类】TG506.1现代机械制造工业正朝着高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，因此，对加工机床提出了更高的要求。
与普通切削加工相比，高速切削加工有其独特之处：（1）切削效率高，大大提高了能源和设备的利用率；（2）加工表面质量好、精度高，可作为机械加工的最终工序；（3）热变形小，特别适合加工易产生热变形的材料及零件；（4）可以加工各种难加工材料，有效地减小刀具的磨损。
高速加工一般采用小直径刀具，小切深、小切宽、快速多次走刀来提高加工效率。
实现高速加工最根本、最核心的技术是实现高的切削速度，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，不但转速高、功率大，使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中一种理想结构，被称为高速机床的核心部件。
电主轴是一种智能型功能部件，它采用无外壳电动机，将带有冷却套的电动机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电动机控制，使变频电动机和机床主轴合二为一，它基本上取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。
目前，电主轴一般是采用内置式电机直接驱动的，它能够传递很高的转速和扭矩，而且刚性好，结构紧凑，可大大提高机床的生产效率和工件的加工质量。
基于ANSYS的空气静压电主轴热变形研究
措 施 减 小 它 的量 ．是 空 气 静 压 电主 轴 研 究 的重 点 对 象 。
（） ３
２空气 静 压 电主 轴 的热 源
本 文 以 Ｓ Ａ ０ １ Ｔ型 划 片 机 空 气 静 压 电 主 轴 为研 究 对 Ｆ 一 ５１ 象 ．其 结 构 如 图 １ 示 。 所
式 （ ）中 ：Ｑ为 热 源 生 热 量 ；Ｖ为 热 源 体 积 。 ３
Ｎｕ ，＝ ００ ３ 。・ ．２ Ｒｅ 式
（） ５
（） ６
（ 、 （ ５） ６） 中 ：Ｎｕ ｊ为 努 谢
尔特 数 ：， 为定 子 套 筒 外 侧 冷 却 水 通 Ｊ 道 长度 ；
式 为：
＝
为 普 朗 多 准 数 ，其 表 达
：
（ ７）
式 （ 巾 ：Ｃ 为 流 体 的 比热 ；Ｐ ７） ，
生 热 率 是 指 单 位 体 积 的生 热 量 ，其 在 Ａ Ｓ Ｓ热 分 析 ＮＹ 中 ，可 以 作 为 载 荷 施 加 到 面 上 ，也 可 以 直接 施 加 到 有 限单
元 上 ．定 义式 如下 ：
ｑ＝
ｙ
量 。 产 品 的 质 量 要 求 主 轴 的轴 向跳 动 不 大 于 ３Ｌ １ ． ｍ，但 在 实 际 工 作 中 发 现 ． 由 于 主 轴 发 热 造 成 的 轴 向 伸 长 量 可 达 ７ ｍ，误 差 很 大 。 因此 ，研 究 主轴 的热 变形 并 采 取适 当 的 ０
基于 Ａ Ｓ Ｓ的空气 静压 电主 轴热变形研 究 ＮＹ
刘 剑 ． 肖 民
（ 东理 工 大 学机 械 与 动 力 工程 学 院 ， 上 海 ２ ０ ３ ） 华 ０２７
Ｓ Ｓ模 拟 电 主 轴 的 温 度 场 分 布 及 热 变 形 ： 通 过 多 步 载 荷 的 选 取 对 比 分 析 结 Ｙ 的结 论 ；并 从 降低 生 热 和 增 强 散 热 两方 面 出 发 提 出 了 减
电主轴综述
高速电主轴技术乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。
实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。
关键词：高速电主轴；高精度；数控机床Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main str ucture of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high -speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine. Practice has proved t hat high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface qual ity. High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on t he performance of CNC machine tools .Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine1.高速电主轴的现状与发展早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。
高速电主轴动力学特性分析综述讲解
《机械模态分析与实验》结课论文高速电主轴模态分析综述班级研1201姓名赵川学号2012020003高速电主轴模态分析综述前言高速电主轴是高速机床的核心部件, 它将机床主轴与变频电机轴合二为一, 即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部, 也被称为内装式电主轴( Built- in Motor spindle) ,其间不再使用皮带或齿轮传动副。
其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点, 并改善了机床的动平衡, 避免振动和噪声, 在超高速机床中得到广泛应用。
随着科学技术的发展，高速精密加工技术已广泛应用于高端装备制造各个行业。
高速精密数控机床目前成为现代化制造业的关键生产设备。
提高高速精密数控机床在加工运行过程中精度的可靠性、稳定性和可维护性，对提升企业竞争力越来越重要。
高速精密机床的工作性能，取决于机床的主轴系统。
主轴也是最容易失效的部位之一，主轴系统在加工过程中由于各种原因会引起回转精度劣化和功能丧失，严重影响产品加工精度和质量。
如精密车削的圆度误差30%-70%是主轴的回转误差引起。
加工的精度越高，所占的比例越大。
其动态性能的好坏对机床的切削抗振性、加工精度及表面粗糙度均有很大的影响，是制约数控机床加工精度和使用效率的关键因素。
正文高速加工技术已广泛应用于航空航天、模具及汽车制造等行业。
高速主轴在加工过程中, 由于离心力和陀螺力矩效应, 其动态特性相对静止状态发生很大改变。
若仍然利用静态主轴的动态特性参数进行高速切削稳定性分析, 会带来较大的误差。
因此有必要对高速旋转状态下的主轴进行精确建模, 以达到优化切削参数的目的。
国内电主轴的研究始于20世纪60 年代, 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小。
且采用无内圈式向心推力球轴承, 限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。
20世纪70年代后期至80年代, 随着高速主轴轴承的开发, 研制了高刚度、高速电主轴, 它被广泛应用于各种内圆磨床和各机械制造领域。
高速电主轴热态性能的分析
高速电主轴热态性能的分析陈玉球【摘要】重点阐述了电主轴热性能的计算必要性及其计算过程,通过对某电主轴热性能的计算和有限元仿真,得出了该电主轴的热载荷、温度场分布图,达到了对该电主轴进行热校核计算的目的,对于电主轴的热性能计算和热性能仿真分析具有一定的指导意义.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】3页(P30-32)【关键词】热载荷;校核;有限元【作者】陈玉球【作者单位】湖南有色金属职业技术学院,湖南株洲 412006【正文语种】中文【中图分类】TD4510 引言电主轴作为加工中心的关键设备之一，大多数采用内置式的电机，因此结构尺寸小，导致散热条件不良；并且高速运转诱发轴承摩擦加剧、发热量变大。
基于上述两个方面，电主轴温升大、热变形严重，导致加工质量降低[1]，所以分析电主轴的热态特性具有重要意义。
笔者针对电主轴的热性能分析进行了详细分析，包括热量的产生、热量的传递及不同位置的热载荷的大小都进行了分析和计算；针对某特定型号的电主轴进行了热性能的理论计算和热载荷仿真分析，以期望得到得到电主轴的温度分布图，识别热载荷较大的位置，为电主轴的热性能设计提供一定的指导作用。
1 高速电主轴热计算1.1 主要部件参数西门子公司的1FE1072-4WH，其主要参数为：额定功率：28.5 kW，最高转速:24 000 r/min，额定扭矩:28 N·m，额定转速:9 700 r/min，选择日本NSK公司的45BER10S作为前端轴承，N1008MRKR作为后端轴承，其最高速度在合适的润滑及散热条件下分别可达到31 500 r/min和25 000 r/min。
1.2 高速电主轴电机发热计算电机工作时定子产生约67%的热量，其余由转子产生。
取电机功率因素为0.85，电机损耗功率4.275 kW，则定子产生热量为2.85 kW，转子产生热量为1.43 kW。
1.3 高速电主轴轴承的发热分析与计算滚动阻力的存在使得轴承在工作过程中产生大量摩擦热。
高速磨削电主轴温升及动力学特性研究的开题报告
高速磨削电主轴温升及动力学特性研究的开题报告一、选题背景与意义高速磨削已成为现代制造业中不可或缺的工艺之一，其要求高精度、高效率、高质量。
但高速磨削加工过程中，由于磨粒对工件的高速冲击和摩擦，会产生大量的热量，导致电主轴的温升，从而影响了磨削加工的质量和效率。
因此，研究高速磨削电主轴的温升及动力学特性，对于提高高速磨削加工质量和效率具有重要意义。
二、研究内容和目标本研究的主要内容是对高速磨削电主轴的温升及动力学特性进行研究。
其中，温升方面需要测量电主轴在不同加工条件下的温度变化，建立电主轴温度模型，并通过模型分析出影响电主轴温度的因素；动力学特性方面需要对电主轴的转速、转矩、功率等进行测试分析，建立电主轴动力学模型。
通过研究电主轴的温升和动力学特性，探究其对高速磨削加工的影响，并提出优化措施，以提高高速磨削加工的效率和质量。
三、研究方法本研究采用试验研究和数值模拟相结合的方法进行。
通过对高速磨削电主轴的加工参数进行改变，如进给速度、切削深度、切削速度等，测量电主轴的温度变化，并建立温度模型。
同时，对电主轴的动力学特性进行测试，建立电主轴动力学模型。
通过数值模拟的方法，对电主轴在不同加工条件下的温度变化进行模拟，并对比试验结果，验证模型的准确性和可靠性。
四、研究进度计划第一年：1.研究高速磨削电主轴的温升特性，建立电主轴温度模型；2.测试电主轴的转速、转矩、功率特性，建立电主轴动力学模型。
第二年：1.开展不同加工条件下的试验研究，测量电主轴的温度和动力学特性；2.对试验结果进行分析，建立电主轴温度和动力学特性的数学模型。
第三年：1.对不同加工条件下的温度和动力学特性进行数值模拟，验证模型的精度和可靠性；2.提出优化措施，以提高高速磨削加工的效率和质量。
五、结语本研究旨在探究高速磨削电主轴的温升及动力学特性，为提高高速磨削加工质量和效率提供理论依据和实践指导。
通过试验研究和数值模拟相结合的方法，建立电主轴的温度和动力学模型，为优化高速磨削加工过程提供可靠的理论基础。
高速电主轴热—结构特性研究
电动机定子 和转子 的发 热来 源 于 电动机 的损 耗。
电动 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４ 类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 机 电 磁
耗 和附加损耗 。前 ３ 类损 耗为主要损耗 。附加损耗在 总 的损 耗中所 占的比例很 小 ， 约为 １ 一 ％。 ％ ５
子 与滚 道 的滚 动 摩 擦 、 速 下 所 受 陀螺 力 矩 产 生 的 高
滑动摩 擦 、 滑 油 的粘 性 摩 擦 等 。 电 主轴 的支 承 部 润
件 是高 速高 寿命 精 密 轴 承 ， 机 型选 用 德 国 Ｆ Ｇ公 该 Ａ
司制造 的角 接触轴 ， 动 体材 料 为 陶瓷 ， 细 参 数见 滚 详
于 高速机 床 主 轴 系 统 都 采 用 高 刚 度 的设 计 ， 而其 外
表 １ 电 主 轴 技 术 参 数
功 率 （ Ｗ） ｋ
转 速 （／ ｉ ） ｒｍｎ
ｌ ２
３０ ０ ０—１ ０ ０ ２ ０
冷 却量 （ ） Ｌ
扭 矩 （ ｍ） Ｎ
２ ５
９５ ．
载荷 却不 大 ， 因此 由外 载 荷 所 引起 的主 轴 的 弹性 变 形也 较小 。然 而 电主轴 在 运行 中 的发 热却 是 不 可避 免的， 由机 床 发 热 所 引 起 的加 工 误 差 已经 占 到 了 总 加工误 差 的 ６ ％ ～８ ％ ， ０ ０ 因此 ， 于高 速主轴 单 元来 对
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ ２ ２） １—０ ２ １０ ２ ５（ ０１ ０ ０ ５—０ ３
高速 电主轴热一结构特性研 究
苏宇锋 袁 文信 刘德 平 刘 武 发 汪 玉 平。 ， ， ， ，
[整理]高速空气静压主轴承性能分析
![[整理]高速空气静压主轴承性能分析](https://img.taocdn.com/s3/m/9521632582c4bb4cf7ec4afe04a1b0717fd5b3f7.png)
高速空气静压主轴承性能分析Cheng-Ying Lo ,Cheng-Chi W ang ,Yu-Han Lee摘要：气动轴承设计的问题的解决方法是先压力分布和轴承轮转方向的精确度。
目前，本文研究出了一个详细的理论分析轴承性能的方法，其中气动轴承最初是由无量纲简化的纳维——斯托克斯方程的形式来表达。
利用轴承之间的间隙和孔口中的质量连续流动的假设，可以推导出非线性无量纲雷诺方程，然后利用牛顿方法进行离散。
最后，修改后的雷诺方程可以利用循环迭代的方法来解决。
目前的数值模型可以有效的油膜压力分布，摩擦力影响，承载能力，刚度，润滑气体流量，和静止状态偏心率和动态气动轴承压力包括高偏心率部分，高速非圆形线部分，推力轴承，滑块轴承等内容的分析。
这个被使用的分析模型提供了宝贵的分析方式来研究高精度的静态和动态旋转的气体轴承的性能，并使其成为可以得到的最优化设计。
1．简介气体轴承的特点是旋转时低噪音和低摩擦损失。
因此，它们经常被应用于各种精密仪器中，在空负荷高速电动马达驱动的情况下，它们产生摩擦量为零。
相比于传统的油轴承，气体轴承具有产生的热量低，少污染，和较高的精度的优点。
然而，它们的主要缺点是，它们的运行往往相当不稳定，这往往限制其允许使用的范围。
1961年，格罗斯和扎克[1]首先开发，并应用了微扰的方法来解决：稳定，自行形成，可认为无限长的平面楔形油膜问题。
使用的这种微扰的方法可以有效的分析所有的几何参数范围，并得到高度精确的结果。
1975年，马宗达[2]提出一种理论方法，考虑到三维流多孔材料对轴承的影响，推导出稳态固定和旋转性能特点。
我们知道气动轴承的主要承载能力受气膜的空气动力学影响，其中气膜的刚度，阻尼系数，和稳定的范围值是主要的影响参数。
多数的轴承设计都是为了运转稳定，因此需要掌握最基本的有关稳定性的知识。
所以，马宗达[3]构建了一个多孔矩形的推力轴承，在外部施压，利用可压缩润滑液的条件下的理论模型。
气体静压电主轴
1.气体静压电主轴的结构特点目前气体静压电主轴的结构基本大同小异，其结构的差别主要体现在轴承对主轴的支撑位置不同，按照支撑位置的不同，气体静压强主轴大体可分为两类：全支撑式和两端支撑式。
典型的全支撑式气体静压电主轴结构如图1.1所示，该结构的电主轴其电机部分从承压面伸出，形成了悬臂结构，悬臂的质量对整个主轴产生了力矩作用，对主轴的精度会带来一定的影响。
随着对供气方式的深入研究和不断改进，气体静压轴承的承载力也得到不断提升，因此，不再需要密集排布供气孔以满足承载力需要，同时也为了克服全支撑式的缺点，两端支撑式气体静压电主轴得到大规模应用，其典型结构如图1.2所示，分别是气体流道和冷却液流道的剖视图。
2.国内外应用情况随着加工精度要求越来越高，传统机床的车、铣、镗、磨及钻削已经不适应各种精密元件的加工，所以新的机械装备得到推广。
气体静压电主轴精度高，适用于微小孔钻削、精密光学镜片的磨削、精密半导体元件的磨削等，其转速极高，使加工效率成倍提高。
因此，目前气体静压电主轴广泛应用于精密加工领域，其加工的零件也多用在要求精密、高效及微型化的高科技领域。
美国AMETEK Precitech公司研制的Nanoform 250ultragind机床，可用于单点金刚石车削、刀具正交金刚石车削、精密磨削、铣削和自由曲面铣削、磨削，该机床上用于高速铣削和磨削的主轴采用气体静压轴承支承，其轴向与径向运动误差均小于0.05μm，该公司的Nanoform 700ultra机床可用于微铣削，其轴向与径向运动误差也都小于0.05μm，安装在这些机床上气体静压电主轴主要是HS、SP和HD系列电主轴，其中HS-75高速电主轴最大速度达到18000rpm，其轴向径向运动精度达到了20nm以内，而SP-150高性能电主轴转速虽然不高，但其轴向径向运动精度都达到了15nm以内，HD-160系列电主轴是重载电主轴，其轴向与径向刚度分别达到了350N／μm和175N／μm，主轴头部处的径向承载能力达到102kg，其轴向径向运动精度也在50nm以内。
静压可调轴流风机轴承超温原因分析及治理
静压可调轴流风机轴承超温原因分析及治理摘要：文中介绍了元宝山发电有限责任公司#1机组引风机的运行情况，对引风机轴承箱的结构特点进行了详尽的阐述，对运行中引风机轴承频繁超温报警现象进行了全面细致的分析，并根据引风机轴承超温原因的分析结果，对引风机轴承箱结构进行了改进，同时对引风机运行维护方式和检修周期进行了合理地安排，从而保证了#1机组引风机的安全稳定经济运行。
关键词：轴承冷却风润滑脂检修周期元宝山发电有限责任公司#1机组引风机是由德国KKK公司生产制造的静压可调轴流式风机，型号为AN31e6，自1978年机组投产，由于引风机轴承体设计不合理，1992年由成都电力机械厂对其进行了改造，增加了轴承箱，轴承冷却方式为风冷方式。
自改造以来，引风机轴承频繁发生超温报警现象，特别是在夏季环境温度偏高的时候，轴承温度经常超过报警值（80℃），迫使机组降负荷运行，严重影响机组的安全稳定经济运行。
针对这种情况，元宝山发电有限责任公司组织了多次的专题讨论和调研工作，经过对#1机组引风机检修和维护情况的总结和分析，同时结合生产厂家和兄弟电厂的一些先进经验[1-2]，对#1机组引风机轴承超温的原因有了全面的了解，并进行了具体地改造实施，保证了#1机组引风机的安全稳定运行。
#1机组引风机轴承频繁超温这一难题的解决，一方面指导了#1机组引风机的正常检修维护工作，确保#1机组引风机不会因为此类缺陷造成机组低负荷运行，甚至半侧运行。
另一方面也为其它类似设备的检修维护和运行提供了成功的经验。
1 引风机轴承超温原因分析#1机组引风机自成都电力机械厂改造以来，一直存在轴承超温现象，经过对多年来引风机检修和维护的总结和分析，同时进行了有针对性的调研工作，认为#1机组引风机轴承超温的原因主要有以下几点：（1）引风机轴承箱结构方面：引风机轴承箱由3套轴承组成，其中2套圆柱滚子轴承（NU240、NU1044）承受径向力，1套角接触球轴承（7240B）承受与烟气流向相反的轴向力，在运行中由于涡流造成的与烟气流向相同的轴向力由前部圆柱滚子轴承外侧的角环承受，角环与前部轴承滚子装配间隙较小，由于轴承润滑油采用#3锂基脂，润滑脂颗粒较大，加之受到与烟气流向相同的轴向力时，角环、润滑脂和前部轴承滚子之间产生摩擦，同时引风机轴承箱短轴可能存在同轴度误差，这些都容易导致轴承温度上升。
电主轴内置电机热性能分析________
第38卷 第10期西南师范大学学报(自然科学版)2013年10月V o l .38 N o .10 J o u r n a l o f S o u t h w e s t C h i n aN o r m a lU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )O c t .2013文章编号:10005471(2013)10004204电主轴内置电机热性能分析①任艳君, 李云松重庆工商职业学院机电工程系,重庆401520摘要:从电主轴结构特征入手,应用电磁学理论和能量守恒定律建立内置电机的电磁损耗模型,并结合系统状态方程,分析电机内部产热,制定电主轴加载试验,测量电主轴运转过程中的电参数,以此为依据计算定转子的主要能量损失 铜损和铁损,并在不同工况下测试内置电机附近的壳体的温度变化规律,为进一步分析电主轴动态特性提供依据.关 键 词:电主轴;内置电机;热态性能中图分类号:T G 584文献标志码:A电主轴是集 原动件 传动件 执行元件 为一体㊁实现 零传动 的特殊主轴,具有速度高㊁振动小㊁噪声低㊁结构紧凑㊁扭矩匹配性好等优点,用其取代传统机械主轴,是高速机床工业发展的大趋势[1-4].内置电机的存在使得电主轴比传统机床主轴有着更为复杂的热特性,而电主轴的热态性能和其机械性能耦合相关,直接影响零件的加工质量[5-7],故建立合理模型分析电主轴内置电机的热态性能尤为紧迫.以往研究在进行电机产热分析时,一般只简单地将输入功率乘以一个效率系数来当作电机的能量损耗[8-9].鉴于此,本研究建立电机的电磁损耗模型,具体讨论电机内部各部分的能量损失,并通过实验测试内置电机的热性能,指导进一步的主轴动态性能分析.1 电机电磁损耗模型根据电主轴内置电机定㊁转子间的电磁转换关系,可以以功率流的形式建立其电磁损耗模型(图1).图1 电机损耗模型由图1可知,电机的输入功率为P 1=3U 1I 1c o s φ(1)式中:U 1,I 1分别为定子绕组的线电压㊁线电流;c o s φ为定子绕组功率因数.电机损耗可分为定子损耗和转子损耗,而定子损耗P S 分可为定子铜耗P C u s 和定子铁耗P F e s :P S =P C u s +P F e s ,P C u s =3I 21r 1,P F e s =3I 2mr m (2)式中:r 1为定子电阻;I m ,r m 分别为励磁电流和励磁电阻.余下的大部分功率通过电磁感应作用由定子传递到转子上,称为电磁功率P M .转子损耗P R 可分为转①收稿日期:20130407基金项目:重庆市高等教育教学改革研究项目(102421).作者简介:任艳君(1973),女,四川渠县人,硕士,副教授,主要从事电气自动化控制方面的研究.子铁耗P F e r 和转子铜耗P C u r ,而电机正常运行时,转差率s 很低,所以P F e r ʈ0,则:P R ʈP C u r =3I 22r 2=s P M (3)式中:I 2,r 2分别为转子等效电流和等效电阻.电主轴在工作运行时,还将产生因风阻摩擦和轴承摩擦引起的机械损耗p m ;此外还会产生杂散损耗pS ,最后剩下的才是输出端的机械功率P 2.电主轴为一个机电强耦合的系统,施加在主轴上的外载荷会影响系统的电参数,采用变分原理,可得到电主轴系统的状态方程[10]:d d t i n æèçççöø÷÷÷θ=-L -1r +d L d æèçöø÷t 00p 2J i T ∂L ∂θ-R nJ00pæèçççççöø÷÷÷÷÷0i n æèçççöø÷÷÷θ+L -100-1J æèççççöø÷÷÷÷00u T æèçöø÷w (4)式中:{i ,n ,θ}T 为状态矢量;{L -10,0-1/J ,00}T 为控制矩阵;{u ,T w }T为外加矩阵;L 为电感;p 为电机极对数;J 为主轴转子转动惯量;T w 为外加载矩;R n 为主轴旋转阻力系数;u ,i 和r 分别为电机的相电压㊁相电流和相电阻,(1)-(3)式中的电压㊁电流和电阻代表着其中的一相.2 试 验本文计算对象为170MD 15Y 20型号电主轴,用电机自动测试系统测试电参数,主轴的其它参数见表1.表1 电主轴参数额定相电压U n /V 额定线电流I 1/A 额定功率P /k W 额定转速n /(r ㊃m i n-1)额定频率f /H z 额定转矩T /N ㊃m 35046201450050013励磁电流I m /A 励磁电抗/Ω定子漏电抗/Ω转子漏电抗/Ω定子电阻r /Ω转子电阻r /Ω8.021.30.950.970.110.21极对数p 工作制式润滑方式定子冷却方式定子绕组连接转子型式2S 6油雾水冷Y鼠笼图2 电主轴加载示意图此外采用测功机与实验主轴对拖方式,通过测功机和实验主轴的转速差实现了主轴高转速工况下的扭矩加载,其加载示意图见图2.通过此实验系统和方案可测量电主轴不同转速和载荷工况下的电参数.3 结果分析根据测试所得的电参数和已知的主轴参数,可通过内置电机电磁损耗模型计算主轴不同转速和载荷工况下的电机损耗.图3为加载转矩为4N ㊃m 条件下主轴内主电机不同转速下的损耗,由于电主轴采用的是u /f 控制方式,电频率越高,主轴输入功率越大,所以电机定子的铜损和铁损也增大.而转子电流主要和加载转矩有关,故转子铜耗变化不大.电源频率为300H z 时(同步转速9000r /m i n),主轴内置电机在不同加载载荷下的损耗如图4所示,空载时的转子电流约为0,主轴转速接近同步转速,励磁电流等同于定子电流,电机损耗几乎全来自于定子铜损和铁损.随着负载的增大,由式(4)所示的电主轴机电耦合模型可知,主轴转速下降,转子电流增大[10],而为维持磁动势的平衡,定子电流也增大,故定子和转子的铜耗也增大,而定子铁耗变化不大.34第10期 任艳君,等:电主轴内置电机热性能分析图3不同转速下的电机损耗图4 不同加载下的电机损耗此外,用T E S -1310型号温度表测温仪测试了电主轴壳体在不同电频率下的温度,为避免轴承产热的干扰,测试点在离前后轴承较远的壳体中段,外部环境温度为24.8ħ,测试结果图5所示.主轴壳体中段离前后轴承(系统另一主要热源)较远,其温度主要受与其接近的内置电机产热影响.由图5可知,主轴壳体中段的温度随着转速和负载的升高而升高,和图3,4所示计算电机损耗结果规律相吻合,这也说明了所建模型的准确性.不过由于壳体和内置电机中间设计有冷却水槽,壳体温度的上升趋势不是特别大.图3-5所示的结果可作为理论分析的依据,也为进一步分析主轴动态特性提供了基础.图5 主轴壳体温度不同工况下的变化规律4 结 论本文建立了高速机床主轴内置电机的电磁损耗模型,并结合实验分析了不同电频率和负载下内置电机的能量损耗及其附近壳体的温度变化规律,结果得出主轴在u /f 控制下,定子铜损和铁损随着电频率的增大而增大,转子铜损相对较小,且和电频率关系不大,主要与加载载荷有关.而负载增大时,定㊁转子的铜耗也增大,而定子铁耗变化不大.此外,离内置电机较近㊁前后轴承较远的壳体中段的温度变化规律也与电机损耗规律相符,验证了模型的准确性.实验所得数据可作为相关理论分析的依据.参考文献:[1]HO L K F PT ,C A O H ,K O L ÁR P ,e ta l .T h e r m o -M e c h a n i c a lM o d e l o fS p i n d l e s [J ].C I R P A n n a l s -M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y,2010,59(1):365-368.[2] A B E L EE ,A L T I N T A SY ,B R E C H E E RC .M a c h i n eT o o l S p i n d l eU n i t s [J ].C I R PA n n a l s -M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o -g y,2010,59(2):1-22.[3] 王云霞,王志亮,鲁 泳,等.基于A D AM S 的内圆磨床与高速电主轴结构动力学模拟分析[J ].制造业自动化,2012,34(4):62-65.44西南师范大学学报(自然科学版) h t t p ://x b b jb .s w u .c n 第38卷[4] 梁双翼,陈 晨,尹辉俊.基于有限元方法的电主轴模态分析[J ].制造业自动化,2012,34(1):57-60.[5] 孙兴伟,王 聪,王 可,等.高速电主轴热态特性的研究[J ].制造业自动化,2011,33(10):111-114.[6] 刘水发.高速电主轴热态性能分析[J ].制造业自动化,2011,33(1):141-144.[7] 商冬青,杨玉霞.高速卧式加工中心热态特性分析与实验验证[J ].制造业自动化,2011,33(10):139-141.[8] 姜德美,谢守勇,甘露萍.步进电机启动控制算法设计[J ].西南大学学报:自然科学版版,2007,29(5):128-132.[9] 李中华,王 慧,李 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.A c -c o r d i n g t o t h e e x p e r i m e n t a l d a t a ,t h e c o p p e r l o s s a n d t h e i r o n l o s s ,w h i c ha r e t h em a i n e n e r g yl o s s o f t h e s t a t o r a n d r o t o r ,h a v e b e e n s t u d i e d ,a n d t h e t e m p e r a t u r e c h a n g e l a wa t t h e h o u s i n g n e a r t h e b u i l t -i nm o t o r h a s b e e no b t a i n e d .T h e r e s u l t s p r o v i d e t h eb a s i s f o r f u r t h e ra n a l y s i so nd y n a m i cb e h a v i o r so fm o t o r i z e d s pi n d l e s .K e y w o r d s :m o t o r i z e d s p i n d l e ;b u i l t -i nm o t o r ;t h e r m a l b e h a v i o r 责任编辑 潘春燕54第10期 任艳君,等:电主轴内置电机热性能分析。
高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析
文章编号:167325196(2009)0120028204高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析王保民1,2,胡赤兵1,2,孙建仁1,2,刘洪芹1,2(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)摘要:分析高速电主轴的发热和散热特性,建立高速电主轴热态分析有限元模型.运用ANSYS有限元软件,分析热稳定状态下电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统对电主轴温升的影响.分析结果表明,提高电主轴现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,要有效控制转子轴的温升和提高电主轴的精度和寿命,必须研究转子轴的冷却途径和方法.同时,仿真分析转速对电主轴温升的影响,揭示电主轴温度场分布的非线性特征,为电主轴温升的在线监测和控制提供理论依据.关键词:高速电主轴;热态特性;仿真分析;ANSYS中图分类号:T G659 文献标识码:ASimulation analysis of thermal characteristics of high2speedmotorized spindle by using ANSYSWAN G Bao2min1,2,HU Chi2bing1,2,SUN Jian2ren1,2,L IU Hong2qin1,2(1.Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application,The Ministry of Education,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China;2.College of Mechano2Electronic Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:The finite element model of high2speed motorized spindle was built up for it s t hermal analysis by analyzing it s heat generation and heat radiation.Wit h t he help of ANS YS finite element software,t he temperat ure field in t hermal equilibrium state and t he effect of cooling and lubricating system of motorized spindle on temperat ure rise were analyzed.Simulation result s showed t hat,by improving t he cooling effi2 ciency of cooling and lubricating system of motorized spindle,t he temperat ure rise of bearing could effec2 tively be cont rolled.This met hod has,however,little effect on t he temperat ure rise of rotor shaft.There2 fore in order to effectively co nt rol t he temperat ure rise of rotor shaft and imp rove t he accuracy and service life of motorized spindle,new heat radiation ways of rotor shaft must be developed.Furt hermore,t he effect of rotation speed on motorized spindle temperat ure rise was analyzed and t he simulation result re2 vealed t he nonlinear characteristics of t he motorized spindle temperat ure field and provided a t heoretical foundation for on2line temperat ure inspection and control of motorized spindle.K ey w ords:high2speed motorized spindle;t hermal characteristics;simulation analysis;ANS YS 以高速切削、高速进给、高精度加工为主要特征的高速加工技术是当代四大先进制造技术之一,是继数控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术.它不仅具有极高的生产率,而且可显著地提高零件的加工精度和表面质量[123].高速电主轴是高速数控机床的核心部件,其性能好坏在很大程度上决定着整台机床的加工精度和效率.然 收稿日期:2008207211 作者简介:王保民(19722),男,甘肃天水人,博士生,讲师.而,电主轴温升引起的热位移严重影响着高速数控机床的加工精度和电主轴寿命,对电主轴的热态特性进行仿真分析具有重要的理论意义和实用价值[427].ANS YS是一种通用的有限元仿真分析软件,具有很强的热分析功能.本文应用ANS YS有限元计算软件,仿真分析了电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统和转速对电主轴温升的影响,对实际电主轴的设计、加工制作和试验分析有一定的指导作用,可避免试验的盲目性和浪费.第35卷第1期2009年2月兰 州 理 工 大 学 学 报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.35No.1Feb.20091 高速电主轴的发热计算高速电主轴有两个主要的内部热源:轴承的摩擦发热和内装式电机的损耗发热.1.1 轴承的摩擦发热高速电主轴使用混合陶瓷球轴承,根据Palmgren计算公式[8],轴承滚动体与滚道间接触区的摩擦发热量为H f=1.047Mn(1)式中:M为轴承的摩擦总力矩;n为轴承内圈的旋转速度.轴承总摩擦力矩由两项组成,即M=M0+M1 M0是与轴承类型、转速和润滑油性质有关的力矩,计算公式为M0=10-7f0(νn)2/3d3m νn≥2000M0=1.6×10-5f0d3m νn<2000式中:f0为与轴承设计和润滑有关的系数,对于电主轴角接触球轴承,采用油雾或油气润滑时,f0=1;ν为润滑油在运转温度下的运动黏度;dm为轴承节圆直径.M1是与轴承所受载荷有关的力矩,计算公式为M1=f1P1d m式中:f1为与轴承结构和载荷有关的系数,对于角接触球轴承,f1=0.001;P1为轴承的当量载荷. 1.2 内装式电机的损耗发热高速电主轴采用内置式电动机,电动机在实现能量转换过程中,电动机内部产生功率损耗而使电动机定、转子发热.电机的损耗一般分为4类:机械损耗、电损耗、磁损耗和附加损耗,前3类损耗为主要损耗,附加损耗在总的损耗中所占的比例很小,约为额定功率的1%～5%.研究发现,在电动机高速运转条件下,有近1/3的电动机发热量是由转子产生的,其余2/3的热量是由定子产生[9210].2 高速电主轴的传热计算2.1 轴承与油气润滑系统之间的对流换热系数油气润滑是高速、超高速电主轴轴承的最佳润滑方法,油气润滑的原理就是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承,微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜,而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量[11].轴承油气润滑的强迫对流换热系数比较难确定,计算通常采用如下经验公式[8]:h a=0.332λl Pr u/(νx)1/2(2)式中:λl为润滑油的导热系数,W/(m・K);Pr为普朗特数;u为对流的速度,m/s;ν为润滑油的运动黏度,mm2/s;x为特征长度,m.2.2 电机与油水热交换系统冷却油之间的对流换热系数电机和油水热交换系统冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热,冷却水在定子冷却套的螺旋矩形槽中流动,螺旋矩形槽的几何形状可展开成截面为矩形的等效油管,冷却水在管中的不同流态具有不同的换热规律,所用的对流换热系数计算公式也不相同.为此必须先算出雷诺数Re以判别流态,然后选用相应的公式计算[12].管内流体强迫对流的换热系数为h w=N uλw/D(3)式中:λw为流体的导热系数;D为螺旋槽几何特征的定性尺度;N u为努赛尔数.2.3 电机定、转子之间气隙的自然对流换热系数电主轴定、转子之间气隙的传热属有限空间的自然对流换热,由于定、转子表面温差的存在,气流的受热和冷却也同时存在,再加上转子的转动,气流的上升和下沉相互影响.由于气隙很小,这两股气流和旋转气流相互影响,使气隙的对流相当复杂.一种比较实用的观点认为无论对于转子表面或定子表面,其气隙表面的传热系数均可以用下式表示[13]:h g=28(1+ω0.5δ)(4)式中:ωδ为气隙的平均风速,ωδ=u2/2,u2为转子的圆周速度.2.4 转子端部的对流换热系数转子产生的热量一部分通过气隙传给定子,一部分直接传递给主轴和轴承,还有一部分通过端部传给周围的空气.转子端部的传热问题主要是与周围空气的对流换热和辐射换热有关,该热交换的换热系数可用下式表示:h t=28(1+0.45v t)(5)式中:v t为转子端部的平均速度.2.5 高速电主轴与外部空气之间的传热系数高速电主轴和周围空气之间不仅进行对流传热,同时还产生辐射传热,这种对流和辐射同时进行的传热过程称为复合传热.根据文献[14]的实验结果,取复合传热系数h s=9.7W/(m2・K).3 ANSYS仿真分析3.1 高速电主轴的仿真几何模型本文以IBA G H F170.4A20型高速电主轴为・92・第1期 王保民等:高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析 研究对象,为了计算方便,对其所有细小结构与次要部件进行了简化.由于高速电主轴整体上可以看成是轴对称结构,因此在进行热态分析时,取轴向剖面的一半建立有限元分析几何模型(见图1).选用平面单元PLAN E55对高速电主轴有限元模型进行网格划分,共有2015个单元,1703个节点.图1 高速电主轴热态特性分析的几何模型Fig.1 G eometric model of high 2speed motorized spindle3.2 仿真条件1)电主轴的转速:10～16kr/min ,在恒功率范围之内,功率损耗为3kW.2)油2水冷却系统的入水口温度T in =25℃,出水口温度T out ≤35℃,矩形槽截面长宽分别为9mm 和6mm.3)油气润滑系统的压缩空气压力为0.4Pa ,温度为25℃.4)环境温度为25℃.3.3 电主轴恒转速条件时的热态特性电主轴在14kr/min 恒转速下运行,根据前面的分析计算出电主轴各部分的发热和对流换热系数,并进行ANS YS 仿真.轴承的温升如图2所示,前轴承外圈的最高温度为55.2℃,后轴承外圈的最高温度为51.9℃.轴承的温升除了自身的摩擦发热,转子产生的一部分热量通过转子轴传导给轴承,也是造成轴承温升的原因.前轴承的温度高于后轴承的温度,是因为前、后轴承的类型不同、生热率不同和轴承的预紧力不同等因素造成的.在实际加工条件下,由于前轴承为受力轴承,前轴承温升会比后轴承更高.轴承的温升是导致轴承失效的主要原因,为提高轴承和电主轴的寿命,必须严格控制轴承的图2 电主轴轴承的温升(n =14kr/min) Fig.2 T emperature rise of bearing for high 2speedmotorized spindle (n =14kr/min)温升.电主轴在14kr/min 转速下运行40min 后达到热稳定状态时的温度场分布如图3所示.从图3可以看出,定子的温度较低,因为定子上的油水冷却系统带走了定子上的大部分热量.而转子轴的温度最高,约为157℃,这是由于转子的散热条件不好,热量容易累积而使温度上升.转子轴的温升引起的轴向热位移是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要因素,因此有效控制电主轴的温升是提高电主轴精度和寿命最有效的途径.图3 高速电主轴的温度场分布Fig.3 T emperature f ield of high 2speed motorized spindle3.4 油水冷却系统对电主轴温升的影响油水冷却系统是电主轴主要的冷却方式.以14kr/min 恒转速运行时,电主轴的温升随冷却水流量的变化如图4所示.从图4可以看出,提高油水冷却系统的冷却效率对电主轴定子的温升影响最大,对轴承的温升也有一定的影响,但对转子轴的温升影响很小.图4 电主轴温升随冷却水流量的变化Fig.4 E ffect of w ater cooling flow rate on temperaturerise of high 2speed motorized spindle3.5 油气润滑系统对电主轴温升的影响轴承油气润滑系统是轴承主要的冷却润滑方式.电主轴以14kr/min 恒转速运行时,电主轴的温升随空气流量的变化如图5所示.从图5可以看出,提高油气润滑系统的冷却效率可有效控制轴承温升,但对定子和转子轴的温升影响很小.3.6 转速变化对电主轴温升的影响与普通主轴相比,电主轴的转速等切削条件更・03・ 兰州理工大学学报 第35卷图5 电主轴温升随空气流量的变化Fig.5 E ffect of air cooling flow rate on temperature riseof high 2speed motorized spindle加多变,对电主轴温升的影响也不容忽视.如果电主轴开始以10kr/min 的速度运行2000s 达到热稳定状态,然后以16kr/min 的速度运行500s ,再以10kr/min 的速度运行1500s 重新回到稳定状态,以此作为仿真条件.在电主轴的前端选择4个位置(如图1所示),仿真分析转速变化对电主轴这4个位置温升的影响.仿真结果如图6所示,从达到温升峰值的时间可以看出,位置1和2几乎同时到达峰值,位置3滞后位置1约30s ,位置4滞后位置1约21s.从温升幅值可以看出,位置1最大,位置2次之,位置4比位置2稍小些,位置3最小.由此可以看出,各位置的温度变化存在幅值衰减和时间滞后,是一种非线性关系;电主轴内部的温度变化,则能较准确地反映转速等切削条件和轴承温升的变化,而电主轴体表温度对转速等切削条件和轴承温升的变化不够敏感.图6 转速变化时电主轴温升随时间的变化Fig.6 T emperature rise of high 2speed motorized spindleunder the condition of different rotation speed4 结论1)提高现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,而转子轴的温升是导致电主轴精度降低和轴承失效的主要原因.因此,要从根本上改善电主轴的热态特性和提高电主轴的精度以及轴承寿命,必须研究电主轴转子轴的冷却途径和方法.2)转速等切削条件变化引起的电主轴各位置温度变化是一种非线性关系.因此,在对电主轴和轴承温升进行在线监测和控制中应尽可能将温度监测点的位置选择在电主轴内部.参考文献:[1] BOSSMANNS B ,J A Y F T.Thermal model for high speed mo 2torized spindles [J ].International Journal of Machine Tools and Manufacture ,1999,39:134521366.[2] BOSSMANNS B ,J A Y F T.A power flow model foe high speedmotorized spindles [J ].ASME Journal of Manufacturing Sci 2ence and Engineering ,2001,123(3):4942505.[3] 《机械工程科学技术前沿》编委会.机械工程科学技术前沿[M ].北京:机械工业出版社,1996.[4] CH EN J S ,HSU W Y.Characterizations and models for t het hermal growt h of a motorized high speed spindle [J ].Interna 2tional Journal of Machine Tools and Manufacture ,2003,43:134521366.[5] ZHAO Haitao ,YAN G Jiangguo ,SH EN Jinhua.Simulation oft hermal behavior of a CNC machine tool spindle [J ].Interna 2tional Journal of Machine Tool &Manufact ure ,2006,46:128.[6] 贺庆强,张勤河,刘克强.H 型钢开坯过程的热力耦合有限元分析[J ].系统仿真学报,2007,19(1):19220.[7] 黄晓明.高速电主轴热态特性的有限元分析[D ].广州:广东工业大学,2003.[8] HARRIS T A.Rolling bearing analysis [M ].New Y ork :JohnWiley &Sons ,Inc ,2001.[9] 丁舜年.大型电机的发热与冷却[M ].北京:科学出版社,1992.[10] 鲍里先科A И,丹科B Г,亚科夫列夫A И.电机中的空气动力学与热传递[M ].魏书慈,邱建甫译.北京:机械工业出版社,1985.[11] 杨柳欣,李松生.高速电主轴轴承的油气润滑及其应用[J ].轴承,2003(3):23225.[12] 俞佐平.传热学[M ].北京:高等教育出版社,1991.[13] 魏永田,孟大伟,温嘉斌,等.电机内热交换[M ].北京:机械工业出版社,1998.[14] 陈兆年,陈子辰.机床热态特性学基础[M ].北京:机械工业出版社,1989.[15] 王保民,胡赤兵,邬再新,等.高速电主轴定转子气隙变化及影响因素分析[J ].兰州理工大学学报,2008,34(6):40242.・13・第1期 王保民等:高速电主轴热态特性的ANSYS 仿真分析 。
高速重载下双层保护轴承的最大碰撞力及热特性分析
间的距离;
l１１ 、
l１２ 分 别 为 左 端 和 右 端 一 级 保 护 轴
承支撑中心与转子质心 Or 之间的距离;
l２１ 、
l２２ 分
别为左端和右端二级保护轴承支撑中心与转子质
心 Or 之间的距离.
由图 １ 可以列出转子的动力学方程:
mEsẍs ＋GEsxs ＝ AFa ＋B１F１ ＋B２F２ ＋Fc －Fg
Rt２１ 、
Rt２２
分别为转子在左端和右端二 级 保 护 轴 承 位 置 对 应 处 的 轴
半径.
设定转子和轴承的初始条件及积分时间步长
后,将式(
１)、式(
２)对时间积 分,即 可 获 得 各 个 时
刻的转子运动状态.
文献 [
１２]针 对 传 统 应 用 中 双 层 滚 珠 轴 承 建
立了热学模型,计算了轴承的摩擦热和温度分布,
力 [１１].在计 算 二 级 保 护 轴 承 (传 统 单 层 滚 珠 轴
承)支 撑 力 时,也 可 运 用 双 层 保 护 轴 承 的 动 力 学
模型,只需限制中圈的振动和旋转自由度即可.
图 ４ B 结构保护轴承的温度节点模型
转子绕轴向的转动方程为
Jzθ̈r ＝ －Ft１１Rr１１ －Ft１２Rr１２ －Ft２１Rr２１ －Ft２２Rr２２
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高速加工中心电主轴的静动态特性分析
高速加工中心电主轴的静动态特性分析ee（ee）指导老师：ee[摘要]：作为加工中心重要部件之一的电主轴，研究电主轴系统的静动态特性分析为加工中心的发展奠定基础，本文研究主要内容如下；第一;从设计电主轴应考虑的问题出发，确定电主轴的基本参数及其结构，合理选择轴承及确定轴承的支撑形式，主轴的冷却方式，润滑方式等。
第二;应用机械动力学原理，建立符合高速主轴单元的动力学微分方程，通过求解得到固有频率和振型，分析影响电主轴静动态特性的主要原因。
第三;应用 ANSYS 软件对电主轴单元进行了模态分析和谐响应分析。
模态分析得到了电主轴的各阶振型和固有频率，以及临界转速；谐响应分析得到电主轴前端对频率的响应位移曲线，并提出改善电主轴动态特性的措施。
[关键字]：电主轴；静态特性；动态特性；ANSYSAnalysis Of Static And Dynamic Characteristics Of HighSpeed Machining Center Spindleee(ees)Tutor:eeAbstract: As one of the important components of machining center spindle, electro-spindle system of static and dynamic characteristic analysis of the Foundation for development of machining centers, and main contents of the paper are as follows.Firstly spindle from the design issues that should be considered to determine the basic parameters and structure of spindle and bearing selection and determine reasonable bearing form of support, the spindle cooling, lubrication and so on.Secondly mechanical dynamics, high-speed spindle dynamics of differential equations was established, obtained by solving natural frequencies and modes, analyzing the main cause of electric spindle of static and dynamic characteristics.Thirdly application of ANSYS software in electric spindle units the modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis of spindle of the first mode shape and natural frequencies and critical speeds; harmonic response analysis electro-spindle on frequency response curve, and measures was proposed to improve dynamic characteristics of electric spindle.Key words：Electric spindle: Static characteristics:Dynamiccharacteristics:ANSYS.目录1.绪论 (1)1.1 课题研背景及意义 (1)1.2 电主轴技术的研究现状 (1)1.2.1 高速电主轴国内研究现状 (1)1.2.2 高速电主轴国外研究现状 (2)1.2.3 高速加工中心的电主轴的国内外的发展趋势 (2)1.3 本课题研究的目的 (3)1.4 本章小结 (3)2.高速电主轴 (4)2.1 高速电主轴设计中应考虑的问题 (4)2.2 高速电主轴的基本参数与结构 (4)2.2.1 高速电主轴的基本参数 (4)2.2.2 高速电主轴的结构 (5)2.3 高速电主轴的支撑形式与轴承选择 (6)2.4 高速电主轴的润滑 (6)2.5 高速电主轴的冷却 (6)2.6 电主轴的静态特性 (7)2.7 主轴的动态特性 (7)2.7.1 电主轴单元多自由度振动微分方程 (8)2.7.2 子空间迭代法 (11)2.8 本章小结 (12)ee 3.电主轴静动态特性的有限元分析 (13)3.1 电主轴有限元模型的建立 (13)3.2 电主轴静力学分析 (14)3.2.1 典型受力条件下的主轴受力计算 (14)3.2.2 电主轴单元静力分析 (15)3.3 高速电主轴的模态分析 (16)3.4 高速电主轴的谐响应分析 (18)3.5 提高电主轴单元动态性能的措施 (19)3.6 本章小结 (19)4.结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录1.绪论1.1 课题研背景及意义以高切削速度,高进给速度,高加工精度为主要特征的高速加工是继数控技术之后,使制造技术生产第二次革命性飞跃的一项高新技术.它不仅具有极高的生产率,可以显著地提高零件的加工精度和表面质量,而且在材料的去除机理上也产生了本质的变化,是实现一些难加工材料,低刚度零件切削加工的高效手段。
避免气帘效应的超高速电主轴轴承润滑技术
避免气帘效应的超高速电主轴轴承润滑技术王东峰;刘胜超;李彦;仝楠【期刊名称】《轴承》【年(卷),期】2018(000)004【摘要】阐述了dm·n值超过2.0×106mm·r/min的超高速电主轴轴承的油气润滑机理,分析了轴承腔内的气帘效应,重点介绍了目前较先进的几种润滑新技术,并对其加工成本、环保性和综合性能进行总结.【总页数】6页(P59-64)【作者】王东峰;刘胜超;李彦;仝楠【作者单位】洛阳轴承研究所有限公司,河南洛阳 471039;河南省高性能轴承技术重点实验室,河南洛阳 471039;滚动轴承产业技术创新战略联盟,河南洛阳 471039;洛阳轴承研究所有限公司,河南洛阳 471039;河南省高性能轴承技术重点实验室,河南洛阳 471039;滚动轴承产业技术创新战略联盟,河南洛阳 471039;洛阳轴承研究所有限公司,河南洛阳 471039;河南省高性能轴承技术重点实验室,河南洛阳471039;滚动轴承产业技术创新战略联盟,河南洛阳 471039;洛阳轴承研究所有限公司,河南洛阳 471039;河南省高性能轴承技术重点实验室,河南洛阳 471039;滚动轴承产业技术创新战略联盟,河南洛阳 471039【正文语种】中文【中图分类】TH133.33;TH117.2【相关文献】1.基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性 [J], 杨佐卫;殷国富;尚欣;赵秀粉2.空气静压轴承在超高速微细孔钻削电主轴中的应用 [J], 肖曙红;郑光远;陈玉莲3.油气润滑技术在高速电主轴轴承上的应用 [J], 黄红兵;汪永明4.基于多重网格法的超高速电主轴轴承内部润滑状态分析 [J], 左涛涛;李松生;毛华伟;胡志宏5.超高速时电主轴轴承的动态支承刚度分析 [J], 李松生;陈晓阳;张钢;王春兰;杨柳欣;陈长江因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高速电主轴内置电机空气摩擦损耗研究
高速电主轴内置电机空气摩擦损耗研究高思煜;丁辉;程凯;富宏亚【摘要】To investigate how the air-gap friction loss within the built-in motor for a high speed motorized spindle is changing with the varying rotational speed of the motor, the air-gap friction loss was analyzed by analytic method and computational fluid dynamics ( CFD) simulations. The results show that the air-gap friction loss confirmed by the analytic method is in agreement with the one obtained by CFD simulations. Idling tests of built-in motor were carried out and by loss separation method the air-gap friction losses were acquired for different motor speeds. The experimen-tal data is in accordance with the numerical results of the simulation, which demonstrates the validity of the proposed analysis and simulation approaches for air-gap friction loss.%为研究高速电主轴内置电机空气摩擦损耗随电机转速的变化规律，采用解析和计算流体动力学两种方法对不同转速工况下的内置电机空气摩擦损耗进行了理论分析。
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超高速空气静压轴承电主轴损耗及热特性分析
张翰乾;汤秀清;雷群;郭伟科;程振涛
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2023(52)1
【摘要】电主轴作为高度集成的机电一体化产品,相对于传统的机床主轴,其将主轴电机集成内置到主轴内部,具有结构紧凑、低惯性、高转速、低噪声、快速响应等优点,但由于电机集成于主轴内部,运转时产生的大量热量,会引起电主轴温度快速升高,使电主轴的热态特性和动态特性变差,进而影响电主轴的正常加工甚至出现运转过程中卡死。
为定量计算整机的损耗及发热变形情况以解决此问题,通过建立超高速空气轴承电主轴热特性分析模型,采用解析法与有限元仿真相结合的方法,求解电主轴轴芯空气摩擦损耗、电机损耗,获得了电主轴温升等热态特性参数,并通过试验验证分析模型和方法的准确性,研究模型中轴芯空气摩擦损耗理论计算数值与实验数值偏差在2%以内,为电主轴设计提供了理论依据。
【总页数】4页(P89-92)
【作者】张翰乾;汤秀清;雷群;郭伟科;程振涛
【作者单位】广州市昊志机电股份有限公司;广东省智能制造研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH112.2
【相关文献】
1.空气静压轴承在超高速微细孔钻削电主轴中的应用
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