[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

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种热网络方法，特别涉及一种应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法。

【背景技术】

电主轴是高速机床的主要热源和核心部件,由温度梯度所引起的轴向热伸长和轴承部件热变形,会严重影响机床加工精度和轴承预紧力。因此，电主轴的热特性分析是提高机床精度的关键技术之一。

电主轴系统包含主轴轴承摩擦生热和内嵌式电机损耗发热两大热源，内部生热量大，传热和散热过程复杂。在主轴设计阶段，准确计算其在不同工作状态的下的轴系温度场分布既是考核主轴安全高精度运行的设计指标，又是计算轴承内外圈膨胀量和旋转轴热伸长量的数据基础。

目前，针对于电主轴的稳态温度场分析主要是有限元方法，但此方法所需模型复杂，接触设置繁琐，源程序容量大，占用电脑空间，求解对电脑配置要求高求解时间长，且设计人员需要具备一定的有限元知识。而热网络法理论基础简单，模型易于建立，边界条件易于处理，平衡方程为线性方程组，求解程序十分简单。分析人员可在所关心的典型区域添加节点，避免对不需要的节点进行求解，稳态温度场速度快。

热网络法是将分析对象分成单元节点，节点之间靠虚拟的热阻传递热量，不同换热方式热阻的计算方法不同，对每个节点根据热流平衡原理建立热平衡方程，求出各节点未知量温度。热网络法求解温度场目前主要应用于齿轮传递系统、轴承传热系统、建筑物散热系统以及机械主轴系统。电主轴是内装式电机主轴单元，结构紧凑，回转速度高，发热量大，散热边界条件复杂。

现有文献中缺乏针对于电主轴陶瓷混合球轴承润滑散热、螺旋冷却水散热的局部热网络细化以及电机节点布置、热量分配的规范。同时也忽略了轴承接触部位的接触热阻，这对核心热源的传热有很大影响。

【发明内容】

本发明的目的在于提出一种应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，降低求解电主轴轴系温度的难度，快速准确得到轴系关键点的温度。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于电主轴稳态温度场的热网络建模方法，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。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：（1）明确了电主轴典型零件如轴承、电机显示节点以及冷却换热隐形节点的布置方式（2）提出了基于此轴承节点模型的滚珠和轨道的接触热阻，使轴系温度场计算更加准确（3）对不同轴承润滑方式，给出相应的热传导和热对流热阻计算方法，得到更为精确的轴承散热边界条件描述方法（4）在按经验公式计算两大热源发热量的基础上，完善轴承和电机两部分节点的热量分配方案，将热网络法引入电主轴这一复杂装配体的发热散热计算领域中。

【附图说明】

图1为本发明电主轴轴系简化模型；

图2为本发明电主轴轴系整体节点布置图；

图3为本发明轴承组件节点布置及热网络图；

图4为本发明电机节点布置及热网络图；

图5为本发明冷却部分节点部分及热网络图。

图中实心黑色圆点●代表温度未知的显示节点，代表温度已知的隐形节点，代表热源节点，空心方框代表导热热阻，斜纹填充的方框代表对流热阻，实心方框代表接触热阻，h_gap为轴承外圈与轴承座配合间隙。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的一种实施例做进一步详细阐述：本发明公开了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：

步骤一：建立轴系二维模型