电主轴冷却系统设计与仿真优化_李毅.pdf

第 30 卷第 1 期2023 年 2 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.1Feb.2023电主轴冷却系统设计与仿真优化李毅1，陈国华1,2，夏铭1，李波1,2（1.湖北文理学院 机械工程学院，湖北 襄阳 441053；2.襄阳华中科技大学先进制造工程研究院，湖北 襄阳 441000）摘 要：为解决电主轴因内部温度场复杂而造成冷却效果差的问题，设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统。根据电主轴热特性分析结果，提出了水冷机冷却方案，计算了相关的传热参数，并建立了电主轴温度流速控制模型。然后，利用ANSYS Fluent软件对电主轴进行了流体冷却有限元仿真，并通过电主轴冷却实验对仿真结果进行了验证。通过对比仿真结果和实验结果可知，冷却后电主轴电机定子最高温度约下降了60%，转轴的形变量约降低了70%。结果表明：利用水冷机系统对电主轴进行冷却具有良好的冷却效果，这可为高精密机床主动热控制技术的研究提供一定的借鉴和参考。关键词：电主轴；温度场；水冷机系统；有限元仿真中图分类号：TH 133.2；TG 502.15 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）01-0039-09Design and simulation optimization of motorized spindle cooling systemLI Yi1,CHEN Guo-hua1,2,XIA Ming1,LI Bo1,2(1.College of Mechanical Engineering,Hubei University of Arts and Science,Xiangyang 441053,China;2.XY-HUST Advanced Manufacturing Engineering Research Institute,Xiangyang 441000,China)Abstract：In order to solve the problem of poor cooling effect caused by complex internal temperature field of motorized spindle,a water cooler system for motorized spindle cooling was designed.According to the analysis results of the thermal characteristics of motorized spindle,a water cooler cooling scheme was proposed,the relevant heat transfer parameters were calculated,and the temperature velocity control model for the motorized spindle was established.Then,the finite element simulation of fluid cooling for motorized spindle was carried out by ANSYS Fluent software,and the simulation results were verified by the motorized spindle cooling experiment.By comparing the simulation results and experimental results,it could be seen that the maximum temperature of the motorized spindle motor stator decreased by 60%and the deformation of the shaft decreased by 70%after cooling.The results show that the water cooler system has a good cooling effect on the motorized spindle,which can provide a certain reference for the research of active thermal control technology of high-precision machine tools.Key words：motorized spindle;temperature field;water cooler system;finite element simulation机床热误差占机床误差的70%以上，而电主轴是热误差的主要误差源之一。由于自身结构特点，电主轴内部温度场分布复杂，且结构的热不对称比较剧烈，会对转轴的形变产生较大影响，从而严重影响机床的加工精度。为了有效降低电主轴发热对数控机床的影响，doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.008收稿日期：2022-05-30 修订日期：2022-07-27本刊网址在线期刊：http:/ 毅（1996），男，江西南昌人，硕士生，从事数控机床热误差检测与补偿技术研究，E-mail:，https:/orcid.org/0000-0003-0949-5233通信联系人：陈国华（1976），男，湖北黄冈人，教授，博士，从事机床数控技术研究，E-mail:工程设计学报第 30 卷 各国科研人员开展了大量研究。Grama等1提出了一种冷却器触发模型，该模型在稳定电机和轴承温度方面具有一定的优势。Xiang等2、Yan等3和Zhang等4通过分析电主轴的热特性，分别提出了不同的电主轴热误差预测模型，有效提高了热误差计算精度。Zhang等5、He等6和Lei等7对电主轴水冷系统的冷却效果和温度分布进行了仿真分析，为 冷 却 水 流 量 的 计 算 提 供 了 理 论 依 据。Tang等8和 Xia等9为改善电主轴水冷通道的冷却效果，设计了不同的冷却结构，并通过有限元仿真验证了冷却效果。Li等10采用实验设计法对电主轴冷却流道的尺寸进行了优化。Ma 等11和 Meng等12建立了电主轴有限元分析模型，通过仿真模拟了其温度场和形变场。Brecher等13针对电主轴设计了一个在线热模拟模型，并对其进行了参数化和验证。Li等14设计了一种基于环形热虹吸管的磨削电主轴冷却结构，使得电主轴的最高温度约降低了 28%。Shi等15采用流体体积法结合 Lee相变模型的方法，研究了转速、加热功率对电主轴热变形的影响。Liu等16、Zhang等17和Liu等18分别对电主轴热行为与热误差之间的关系进行了定性分析，并提出了一些热误差补偿方法。Li等19建立了冷却剂泵驱动频率与电主轴转速和冷却剂温差的回归模型，并利用实验对回归模型进行了验证。Chien等20利用数值和实验相结合的方法，分析了内置高速电主轴螺旋水冷流道内的三维流体运动和温度分布情况。综上所述，对于电主轴的发热问题，仍有2个技术难点未得到妥善解决：第一，冷却效果差，即未根据电主轴内部温度场的分布差异进行差异化冷却；第二，缺乏主动热误差控制平台，即未搭建相关热控制平台来对电主轴温度进行主动控制。为了实现对电主轴热源的主动控制与精确冷却，笔者设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统，并提出了水冷机冷却方案，同时通过温度流速控制模型来实现电主轴温度的主动控制。最后通过流体冷却有限元仿真和冷却实验来验证水冷机系统的有效性。1 电主轴水冷机系统设计 1.1电主轴热特性分析电主轴的主要结构如图1所示。在电主轴运行过程中，各零部件的运动状态不同，其发热情况也不同。其中，电主轴电机和前后端轴承组的发热损耗较大。电机发热损耗主要包含3个部分，分别为机械损耗、电损耗和磁损耗。轴承摩擦发热过程比较复杂，在一般工况条件下，主要考虑轴承内部滚动体、保持架与内外圈之间的摩擦发热。图2所示为电主轴的热量分布和传递情况。通过分析可知，电主轴温度场分布不均匀及热应力分布不对称的原因主要有以下3点：第一，不同零部件的结构形状和材料性能不同，造成电主轴内部不同热源的产热机理不同，从而导致产热量存在差异；第二，内部热源位置不同造成不同热源的热传递过程不同；第三，结构和材料的差异造成不同零部件受热不均匀。1.2电主轴冷却方案设计根据电主轴的热特性，提出了一种水冷机系统，其主要结构包括热交换装置、多回路供液装置、水冷机和控制装置，如图3所示。水冷机系统的冷却原理为：基于多流道差异化冷却策略，针对电主轴的3个主要热源设计3个冷却流道，实施异温差速冷却。其中，设计多回路供液装置是为了精准控制水冷机系统的制冷参数，其原理如图4所示，通过多个冷却流道的设计与控制来实现制冷参数的实时控制和优化。综上，水冷机系统的主要技术特点如下：1）设计多回路供液装置，布置水冷机供水管路，在较短时间内实现冷却水的变温变速，缩短热反应时间；2）建立温度流速控制模型，实现不同冷却流图1电主轴剖面图Fig.1Profile of motorized spindle图2电主轴热量分布与传递示意Fig.2Schematic diagram of heat distribution and transfer of motorized spindle 40第 1 期李毅，等：电主轴冷却系统设计与仿真优化道制冷参数的优化。1.3电主轴冷却流道设计根据所提出的冷却方案，在电主轴外机壳内布置3条单螺旋冷却流道，如图5所示。根据微型流道设计原理，确定冷却流道的截面尺寸和长度，如表1所示。2 电主轴温度控制模型 2.1电主轴发热量与载荷计算本文以数格AMS-120型高速电主轴为研究对象，其主要技术参数如表2所示。根据电主轴的技术参数，利用文献21-23中的相关公式计算电主轴不同热源的发热量和载荷。1）电机发热量。电机理论发热量包括机械损耗、电损耗和磁损耗，根据公式计算电机实际发热量Qz，并通过等效原则计算其等效发热率qz。2）轴承组发热量。轴承发热是由动摩擦引起的，根据公式计算轴承实际发热量Qa，并通过等效原则计算其等效发热率qa。2.2电主轴传热计算有学者研究了电主轴电机温度与冷却水流速之间的关系，并提出了温度流速数学模型24。但根据对电主轴温升实验结果的分析，该模型存在2个不足：第一，分析对象少，只考虑了电主轴电机部分的热量，未考虑前后端轴承组的热量；第二，计算误差大，未考虑转子端面和轴承间隙处对流换热所造成的热量损失。为了降低计算误差，应考虑主要热源对流换热所造成的热量损失。故本文在计算电主轴的发热量时，在上述温度流速数学模型中引入对流热量损失项。则电主轴的实际发热量为：Q=P-Pi(1)式中：Q为实际发热量，W；P为热源理论发热量，W；Pi为对流热量损失，W。电主轴电机的热量损失主要来自转子对流换热。将转子等效为均匀圆柱体，则电机的实际发热量Qz为：Qz=Pz-Piz(2)其中：Piz=hzAzxTz式中：Pz为电机的理论发热量，W；Piz为转子的对图3水冷机系统整体结构Fig.3Overall structure of water cooler system图4多回路供液装置原理Fig.4Principle of multi-circuit liquid supply device图5电主轴冷却流道设计方案Fig.5Design scheme of cooling channel of motorized spindle表1电主轴冷却流道的几何尺寸Table 1Geometric dimension of cooling channel of motorized spindle单位：mm 几何尺寸截面尺寸（LH）长度S前端流道1261 522中部流道20103 129后端流道63