[发明专利]一种降低机床主轴热误差的冷却循环系统及方法

权利要求书

1.一种降低机床主轴热误差的冷却循环系统的控制方法，其特征在于，方法适用于一种降低机床主轴热误差的冷却循环系统，包括主轴箱体、设置在主轴箱体内的主轴，电机设置在主轴中段，在所述电机外套有电机冷却套，电机冷却套上布置有两套方向相反的电机冷却流道，若干温度传感器分布在电机上，主轴的前端和后端分别设置有滚动轴承，所述轴承外套有轴承冷却套，主轴设有转速传感器，冷却组件与冷却流道连接，数据处理控制器与温度传感器、转速传感器以及冷却组件连接；

冷却组件包括依次连接的风冷机、冷却油箱、冷却水泵以及电子式循环冷却水调节阀；冷却流道包括流道、第一冷入管口、第二冷入管口、第一热出管口以及第二热出管口；第一冷入管口设置在冷却套上方，第一热出管口设置在冷却套下方,第二冷入管口设置在轴承冷却套上方,第二热出管口设置在轴承冷却套下方，第一冷入管口和第二冷入管口均分别设有电子式循环冷却水调节阀；

所述电子式循环冷却水调节阀与输入端主流道相连，所述输入端主流道与冷却水泵相连，所述冷却水泵另一端连接冷却油箱出油口，红外温度传感器监测冷却油箱出油口冷却液温度，所述冷却套第一、二热出管口与输出端主流道相连，所述输出端主流道与风冷机进油口连接，所述风冷机出油口与冷却油箱进油口连接，在所述主轴1上装有霍尔式转速传感器；

包括

步骤1、分析主轴部分的热源有：主轴轴承摩擦热，主轴电机发热；

步骤2、进行主轴发热和传热分析：

步骤2.1、轴承2的发热量通过下式计算：

Q＝1.047×10^-4nM               (1)

其中，n为轴承转速(rpm)；M为轴承总摩擦力矩(N·mm)；Q为发热量(W)；

轴承2的总摩擦力矩包括三部分：

M＝M₁+M₂+M₃                (2)

(1)外载荷产生的摩擦力矩M₁：

M₁＝f₁F_βd_m                 (3)

其中，f₁是由轴承结构及载荷决定的系数，F_β是等效外载荷，dm是轴承平均直径；

(2)滚道接触区域自旋运动产生的摩擦力矩M₂：

其中μ为滑动摩擦系数，σ为滚道处发现接触应力，a为接触椭圆长半轴，E为第二类完全椭圆积分；

(3)润滑流体粘性摩擦力矩M₃：

其中，v₀是润滑剂的动力粘度，f₀是由轴承类型及润滑方式决定的系数；

整理得：

步骤2.2、电机的发热量由电机损耗功率转化而来，包括三部分：

(1)定子8的功耗损耗：

P_d＝P_Cu1+P_Fe                 (7)

其中P_Cu为铜耗，P_Fe为铁耗，

其中I₁为定子绕组线电流，r₁为绕组电阻，I_em、r_em为励磁电流、励磁电阻；

(2)转子6的功耗损耗近似于铜耗：

其中I₂为转子电流，r₂为转子电阻，s为电动机转差率，P_em为电磁功率；

P_em＝P₁-P_d                 (11)

其中P₁为电主轴输入功率：

其中U₁为定子绕组线电压，为功率因数；

(3)定子8转子6气隙摩擦损耗：

P_m＝πkCρω³R⁴L                (13)

其中，k为转子表面粗糙度系数，C为空气摩擦系数，ρ为空气密度，ω、R、L分别为转子角速度、转子半径、转子轴向长度；

整理得：

步骤2.3、主轴传热分析

Q＝CMΔT                 (15)

其中Q为产生的热量，C为材料比热容，M为物体质量，ΔT为温升，ΔT＝T₁-T₂，T₁为电主轴温度，T₂为环境温度，由公式(15)可解得T₁；

主轴部分的散热主要通过外壳与外部环境进行换热，对于主轴径向热传导的传热量为：

其中Q_cr为两点间的热传导量，T₁为电主轴温度，T₃为电主轴外壳温度，B为圆环宽度，r_i、r_o分别为电主轴外壳内、外半径；

步骤2.4、热对流分析

冷却液在外界作用下与外壳表面所产生的强迫对流换热量为：

Q_v＝h_vS(T₅-T₄)               (17)

其中Q_v为对流换热时冷却液与外壳任意两点间的热流量，T₅、T₄分别为外壳表面和冷却液温度，S为垂直于两点间热流方向的传热面积，h_v为对流换热系数；

其中N_u为无量纲参数，λ_w为冷却液的热导率，d_c为特征长度，R_e为雷诺数，P_r为普朗特数，ρ为流体密度，v为流体流速，η为流体流动黏性系数，d为管道直径，cp为等压比热容，k为热导率，μ为动力粘度；

整理得：

理想状态下，令Q_v1＝Q_M，则可由公式(18)解得轴承冷却液流速v₁；令Q_v2＝Q_j，则可由公式(18)解得电机冷却液流速v₂，达到分别控制轴承和电机部分冷却能力的效果；

步骤3、霍尔转速传感器监测主轴转速n，若转速n为0，则冷却系统不工作，若转速不为0，则进行下一步工作，所述红外温度传感器采集冷却液的实时工作温度T1、通过计算各轴承和电机发热量计算冷却所需冷却液流速v，根据计算所得冷却液流速v调整冷却水调节阀开合程度和冷却水泵不同输出功率，最终完成冷却系统控制循环。