[发明专利]一种应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法

权利要求书

1.一种应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，包括以下步骤：

1）建立高速电主轴轴对称二维模型，并根据传热学分析要求和轴系特点对该模型进行初步处理；

2）布置各零件内部节点、边界节点以及换热流体的隐形节点，然后将节点之间用热阻连接，建立轴系的等效热网络；

3）计算轴承和电机的整体发热量，然后将该热量分配到发热区域中的热源节点上；

4）计算循环冷却水与冷却水套内壁、旋转轴与内外部空气、静止外壳与环境空气、轴承滚珠与压缩空气的强迫对流换热系数；

5）求出各部分传导热阻和边界对流热阻、滚珠与润滑脂的导热热阻、滚珠与压缩空气的对流热阻以及轴承与轴承座、旋转轴的接触热阻，从而建立传热物理模型；

6）根据步骤5）的传热物理模型建立数学模型，根据基尔霍夫热流定律，列出各网络节点的热流平衡方程，对线性方程组进行消元法求解得到各网络节点的温度。

2.根据权利要求1所述的应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，其特征在于：在步骤1）中，对二维模型进行初步处理的具体方法为：对于小尺寸的倒角圆角、螺栓螺钉孔、引线孔、油孔、预紧机构的弹簧，冷却水套两端的密封圈槽、光栅和速度传感器以及一些小尺寸的台阶特征，在二维模型中进行删除；对于加工中心主轴，将拉刀机构和旋转轴合并；对于冷却水套螺旋水道，将其等效为不连通的圆环；对于转子铁心、隔套、外部纤维层、转子绕组，将其合并成一体，表面桥拱、凹槽忽略；对于定子，将定子简化为矽钢片和铜线绕组端部两部分。

3.根据权利要求1所述的应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，其特征在于：在步骤2）中，各个节点的布置原则为：对整个轴系节点的布置满足一个节点的上下左右四个方向各有一节点，最终构建成棋盘式的热网络；对于温度梯度大的地方，进行细分。

4.根据权利要求1或3所述的应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，其特征在于：步骤2）中，各个节点按照以下布置：

2.1）将主轴系统沿轴向分成以轴承宽度、隔圈长度、水槽宽度、轴上各回转体零件宽度为轴向长度的轴段，每一段沿径向布置一列节点；径向布点时遵循以下原则：节点由下向上对齐布置；在零件结合面上不布置节点，即径向两节点之间不包含结合面，以免热阻由两部分材料组成；在沿径向布置节点时保持每一行节点轴向对齐，在各零件的边界上按以上规则沿径向轴向两个方向对齐布置节点；

2.2）轴承部分节点布置：对于混合陶瓷球角接触轴承，在轴承滚珠布置一个内部节点；滚珠和内外滚道的接触处各布置一个边界节点，内外轨道和滚珠接触处各布置一个边界节点；轴承内圈和旋转轴接触的两条线段上各布置一个节点；轴承外圈与轴承座过渡配合，轴承外圈外表面与轴承座内表面间有空气间隙，所以在轴承外圈外表面线段与轴承座内表面线段各布置一个节点；

2.3）电机部分节点布置：在转子和定子内部布置一行内部节点，遵循轴向径向对齐原则，在转子、定子的边缘与内部节点对齐布置一圈边界节点；

2.4）隐形节点布置：隐形节点是指对流换热中的流体节点，如代表外部空气、内部空气、油气润滑压缩空气以及冷却液的节点，由于其温度已知，所以只作为辅助节点出现在热网络中，与其他节点不连接，只与其冷却的节点生成一个对流热阻。

5.根据权利要求1所述的应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，其特征在于：步骤3）中，热量分配的步骤为：

1）轴承热量分配：根据轴承摩擦发热机理，内外圈与滚珠接触的四个边界节点为热源节点，即滚珠上有两个热源节点，内圈和外圈上分别有一个热源节点，将轴承整体发热量平均分给这四个热源节点，即每个节点发热量均为Q/4；

2）电机热量分配

在电机高速运转条件下，1/3的电机发热量由转子产生，其余2/3热量由定子产生；转子、定子的内部节点均可视为热源节点，边界节点为非热源节点；将转子、定子热量平均分配给各自的热源节点，即转子内部的每一个热源节点发热量为1/3Q/N1，转子内部的每一个热源节点发热量为2/3Q/N2，其中N1,N2分别为转子定子的内部热源节点的数目。