基于热管传热的液体静压电主轴热态性能及相关技术研究

论文摘要

制造业是国民经济的基础,是将可用资源通过制造过程,转化为可供人们使用或利用的工业品或生活消费品的行业,制造业创造的财富占人类社会财富的6080%。制造业经历了手工制作、机械加工的发展过程,生产效率得到极大的提高;目前数控机床、加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统等先进加工技术的应用,解决自动换刀、自动拆卸零件和缩短辅助时间的问题,使得产品质量和生产效率都得到提升,使企业获得显著效益。在本质上,上述这些技术的应用只是加快空程动作的速度、提高零件生产过程的连续性,从而缩短辅助时间,目前辅助时间的缩短已经达到一个极限,只有降低单个零件的机械加工时间,才能在提高生产效率方面得到一个飞跃,提高主轴转速和进给速度,实现高速加工是唯一的途径。电主轴是主轴电机一体化的单元,是高速加工的最佳选择。它采用无外壳电机,将带有冷却套的电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分做成一体,主轴的变速范围完全由变频交流电机控制,使变频电动机和机床主轴合为一体。电主轴是融合多种技术的组件,和国外电主轴产品相比,国内的电主轴在功率、转速、寿命等综合性能方面,还有较大的差距。热态性能设计是电主轴的一个关键难点,传统冷却设计主要采用空气和水冷却,散热效果取决于冷却通道的面积和流速,且冷却通道的加工、密封、装配增加了电主轴结构的复杂性。热管是依靠内部工作液相变实现传热的元件,具有很高的导热性及优良的等温性,基于热管高效传热的特性,本文对基于热管的电主轴热态性能进行了深入研究。确立液体静压轴承为支撑结构,设计了液体静压的电主轴,主要是考虑到液体静压轴承在高速运转时摩擦功率较大,发热问题比较突出,其热态性能研究具有代表意义。考虑电主轴高速运转的特性,其设计应包含主轴静动态、谐响应分析,以及热态性能设计。液体静压电主轴热态数学模型是进行热态性能研究的数学基础,从热源和散热方式两方面对电主轴进行系统地分析,得出电机和轴承发热是主要热源,散热主要在电主轴壳体表面、冷却通道的强制散热、静压轴承散热等方式,得出其表达式,建立了体静压电主轴热态数学模型。针对热管的传热,提出以热管的几何特征、热管材料和吸液芯结构、传热能力、散热能力为热管性能参数。针对热管应用于机械结构时热变形分析无法计算的问题,提出热管等效热导率模型,通过试验对其进行验证,试验结果证明了等效热导率模型的正确性;热管是传热元件,其传热效果依赖于冷却段的散热能力,针对翘片的强化传热,建立了翘片传热效率模型,通过试验加以验证,证实了传热效率模型的正确性。最后针对电主轴热态性能分析,提出以静压轴承的平均温度、电机的最高温度、主轴前端面的热变形和进入热稳定状态的时间为热态性能评价参数,比较不同的冷却方式,从空气冷却-润滑油冷却-水冷却可以较好的降低电主轴温度,减小进入热稳定状态的时间。设计了热管传热的液体静压电主轴,分析表明空气冷却下,便可以实现水流通过电主轴冷却通道的效果,同样降低了静压轴承表面平均温度、电机最高温度,减小进入热稳定状态的时间和主轴前端面的热变形,改善了电主轴的热态性能。通过热管传热的加热器试验对此加以证实,热管在传热应用中,确实能够起到较好的散热效果,降低了分析结构体的整体温度,减小进入热稳定状态的时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 电主轴的发展状况
• 1.2.1 电主轴技术发展的背景
• 1.2.2 电主轴的国内外研究现状
• 1.3 电主轴融合技术
• 1.3.1 电机驱动和控制技术
• 1.3.2 高速轴承技术
• 1.3.3 电主轴热源分析及冷却技术
• 1.3.4 润滑技术
• 1.3.5 关键制造和装配技术
• 1.4 热管传热研究状况
• 1.5 主轴系统热态性能研究
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第2章 液体静压电主轴设计
• 2.1 引言
• 2.2 主轴及液体静压轴承设计
• 2.2.1 主轴轴系设计
• 2.2.2 液体静压轴承设计
• 2.2.3 电主轴电机选择
• 2.2.4 主轴与转子过盈配合量计算
• 2.2.5 管路尺寸计算
• 2.2.6 主轴系统刚度校核
• 2.3 主轴动静态特性分析
• 2.3.1 静态特性分析
• 2.3.2 动态特性分析
• 2.3.3 谐响应分析
• 2.3.4 热态性能分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 液体静压电主轴热态数学模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 电机损耗功率
• 3.2.1 铁心损耗
• 3.2.2 绕组损耗
• 3.2.3 机械损耗
• 3.2.4 负荷率对电机损耗的影响
• 3.3 液体静压轴承摩擦损耗功率
• 3.3.1 液体静压轴承摩擦功率
• 3.3.2 油泵损耗功率
• 3.3.3 温度和压力对润滑油粘度的影响
• 3.4 电主轴各部位对流换热系数
• 3.4.1 冷却通道的强制对流换热
• 3.4.2 电主轴中电机气隙表面散热
• 3.4.3 电主轴壳体表面向周围空间的自然散热
• 3.4.4 静压轴承散热
• 3.4.5 旋转轴表面的散热
• 3.4.6 辐射换热
• 3.5 温度场求解分析
• 3.5.1 控制方程
• 3.5.2 初始和边界条件
• 3.5.3 温度场求解
• 3.6 本章小结
• 第4章 等效热导率模型的建立及热管相关技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 热管性能参数
• 4.2.1 热管几何尺寸特征
• 4.2.2 热管材料和吸液芯结构
• 4.2.3 热管的传热能力
• 4.2.4 热管等效热导率
• 4.2.5 热管的散热能力
• 4.3 热管翘片的强化传热
• 4.3.1 翘片强化传热理论分析
• 4.3.2 翘片强化传热仿真研究
• 4.4 等效热导率和翘片强化传热模型的试验验证
• 4.4.1 测试方法及试验装置
• 4.4.2 传感器信号采集方案设计
• 4.4.3 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 电主轴热态性能分析与试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 热态性能评价参数的确立
• 5.2.1 热稳定状态
• 5.2.2 热态性能评价参数
• 5.3 有限元热分析方法及步骤
• 5.3.1 热分析的方法
• 5.3.2 热分析步骤
• 5.4 液体静压电主轴热态性能分析
• 5.5 基于热管的液体静压电主轴设计及分析
• 5.5.1 基于热管的液体静压电主轴设计
• 5.5.2 基于热管的液体静压电主轴热态性能分析
• 5.5.3 热管形状的适应性
• 5.6 热管传热的加热器发热试验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历