鄭龍燕

(山東冶金技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250109)

高速機(jī)床核心部件高速主軸很大程度上決定了機(jī)床性能的優(yōu)劣，高速主軸在工況運(yùn)行中轉(zhuǎn)速極高，采用交流電動(dòng)機(jī)作為高速主軸動(dòng)力源，使用變頻控制調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，取消傳統(tǒng)的齒輪變速箱，將電動(dòng)機(jī)軸和主軸合二為一，把電主軸改為內(nèi)置形式，特點(diǎn)結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)時(shí)間短、動(dòng)靜載荷低、慣性、振動(dòng)和噪聲都比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)小。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因取消傳動(dòng)裝置，電主軸運(yùn)行更為平穩(wěn)，大大增加設(shè)備使用壽命。為了提高電主軸的熱穩(wěn)定性，減小電主軸的溫升和熱變形，電主軸必須有良好的冷卻系統(tǒng)以保證其恒溫。

主軸工作時(shí)產(chǎn)生的溫度不均直接影響其工作壽命和工作精度，由于熱特性的影響在主軸工作中不能忽視，由此引起國(guó)內(nèi)專家的研究熱情，尤其是在各種計(jì)算力學(xué)方面的軟件有了很大的進(jìn)步，給機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的水冷系統(tǒng)提供了理論方向[1-3]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的朱振學(xué)針對(duì)有限元法對(duì)大型螺旋錐齒輪加工中心 GTMC-3500的銑削電主軸進(jìn)行分析，電主軸最高溫度處分布在定子處，且該型號(hào)的電主軸熱源主要為主軸電機(jī)的損耗發(fā)熱[4]。太原理工大學(xué)王鵬[5]在理論研究的基礎(chǔ)上結(jié)合有限元軟件進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析，研究表明電機(jī)損耗、軸承發(fā)熱與冷卻液系統(tǒng)是引起電主軸變形的主要因素。尤其是在對(duì)電主軸溫度場(chǎng)進(jìn)行分析[5-10]，建立溫度預(yù)測(cè)模型，可實(shí)現(xiàn)電主軸內(nèi)部溫度的預(yù)測(cè)和提前報(bào)警。但是就目前研究而言，對(duì)電主軸的水冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是保證機(jī)床精度的主要方向之一。

本文以170SD30-SY型電主軸模型為基礎(chǔ)，對(duì)初步設(shè)計(jì)的電主軸的溫升特性進(jìn)行分析，找出水冷系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)對(duì)主軸溫升的影響，并通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析了電主軸穩(wěn)態(tài)速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布。并根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了波紋管新設(shè)計(jì)思路來(lái)增加水流換熱面積，并通過(guò)狹縫來(lái)減緩水流的速度增加換熱量，從而保持電主軸良好的工作狀態(tài)。

1 170SD30-SY型電主軸的數(shù)值模擬概述

1.1 幾何及網(wǎng)格模型

本文以170SD30-SY型電主軸模型為基礎(chǔ)，忽略定子繞組，定子鐵心等復(fù)雜的定子結(jié)構(gòu)，將電主軸的轉(zhuǎn)子、定子產(chǎn)生的熱量及軸承產(chǎn)生的部分熱量施加給定子，將其等效為一個(gè)均勻的發(fā)熱體，等效定子單位體積產(chǎn)生的熱量。水冷管道采用上進(jìn)下出的模型，通過(guò)冷卻水對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行散熱。采用SolidWorks建立了電主軸水冷系統(tǒng)的簡(jiǎn)化三維幾何模型，主要包括主軸定子、鋁制水套和水冷管道，如圖1所示。

模型采用ANSYS中網(wǎng)格工具 ICEM CFD 生成六面體結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)主軸定子、鋁制水套和水冷管道不同區(qū)域做網(wǎng)格劃分。對(duì)所提出的模型進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析，以檢驗(yàn)其網(wǎng)格獨(dú)立性，網(wǎng)格獨(dú)立性分析如圖2a所示，通過(guò)增加網(wǎng)格的數(shù)量來(lái)觀察出口溫度的變化。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)目數(shù)增加到148萬(wàn)及以上時(shí)，出口溫度誤差變化小于1%，認(rèn)為該網(wǎng)格為較適宜計(jì)算網(wǎng)格。主軸定子區(qū)域單元數(shù)量分別為32萬(wàn)六面體網(wǎng)格，鋁制水套區(qū)域單元數(shù)量分別為36萬(wàn)六面體網(wǎng)格，水冷管道區(qū)域單元數(shù)量分別為80萬(wàn)六面體網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域單元總量約為148萬(wàn)六面體網(wǎng)格，最小正交質(zhì)量0.57，滿足計(jì)算要求，具體網(wǎng)格模型如圖2b所示。

圖2電主軸水冷系統(tǒng)的主軸定子和鋁制水套的材料分別采用銅和鋁，水冷管道采用介質(zhì)水進(jìn)行冷卻，各材料的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電主軸水冷系統(tǒng)各材料屬性

1.2 邊界條件及數(shù)值方法

本文計(jì)算采用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT，采用有限體積法，針對(duì)固體區(qū)域主軸定子、鋁制水套以及流體區(qū)域水冷管道進(jìn)行邊界條件設(shè)定：

(1)將流體的速度作為入口邊界條件，由于水冷機(jī)限制，速度大小為0.5 m/s、0.75 m/s、1.0 m/s 、1.5 m/s、 2.0 m/s和2.5 m/s，研究不同流速下的系統(tǒng)換熱能力。

(2)出口邊界條件設(shè)置壓強(qiáng)為0 Pa。

(3)主軸的發(fā)熱功率為主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min時(shí)候的功率共計(jì)550 W[13-14]。將加載電主軸空載時(shí)總發(fā)熱量施加給定子，轉(zhuǎn)速不變時(shí)電主軸生熱率Q可假設(shè)不變，將定子設(shè)置為熱源，對(duì)其施加生熱率。采用如下方法計(jì)算,即：

(1)

V=V1+V2

(2)

將轉(zhuǎn)子、定子產(chǎn)生的熱量及軸承產(chǎn)生的部分熱量施加給定子，可由式(1)可得：q=550 W/1.36×10-3m3=4.04×105(W/m3)。

(4)壓力和速度耦合算法采用SIMPLIC，動(dòng)量、湍流分量和能量方程采用二階迎風(fēng)空間離散[11]，壓力插值采用標(biāo)準(zhǔn)格式，能量方程的殘差收斂準(zhǔn)則為1×10-6，其他方程的殘差收斂準(zhǔn)則為1×10-4。

(5)求解時(shí)，采用SIMPLEC算法處理速度和壓力耦合問(wèn)題，變量采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，能量殘差控制在 10-6數(shù)量級(jí)，其他方程控制低于10-4數(shù)量級(jí)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

由于冷卻管道流速流動(dòng)較為相似，本文僅以1.5 m/s時(shí)的冷卻水的速度進(jìn)行分析，流線圖如圖3a所示。由圖3a可知，冷卻水由入水口流入后環(huán)向流入前端然后徑向流向出水口，越靠后端的上半部分，冷卻水的流動(dòng)軌跡是越少的。隨著入水口速度的增加，冷卻水的流動(dòng)方向基本是沒(méi)有變化的，改變的只是各部分速度的大小。入口和出口分居兩側(cè)進(jìn)行冷卻的方式并不能完全覆蓋到水道的另一側(cè)，因此造成了流體流動(dòng)較低的部分局部溫度較高(如圖3b所示)。

由于定子分布趨勢(shì)較為相似，本文僅以0.5 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s時(shí)的冷卻水的速度進(jìn)行分析，定子溫度分布云圖如圖4所示。由圖4可知，定子溫度的分布也是不均勻的，前端靠近水冷入口處的溫度較低，從前端至后端溫度逐漸升高，這是由于冷卻水道的安裝位置及冷卻水的軸向尺寸小于水套的軸向尺寸引起的。隨著入口處速度增大，溫度也隨著水冷溫度趨于一致。

將定子和水套最高溫度，水冷管道出口的平均溫度隨流速的變化曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。由此可以看出定子和水套溫度分布較為一致，最大溫差不超過(guò)0.5 K。隨著流速的增大最高溫度并沒(méi)有明顯變化，不同流速下的定子最大溫度為365.83 K、360.90 K、359.45 K、359.24 K、358.16 K和355.72 K。但是隨著流速的增大，水冷管道的入口和出口的壓力損失不斷增加，分別為145.08 Pa、409.24 Pa、879.95 Pa、1 523.83 Pa、3 343.29 Pa、5 833.70 Pa、9 049.73 Pa和12 899.76 Pa。

3 帶波紋管的冷卻系統(tǒng)方案及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)電主軸的結(jié)構(gòu)模擬可以看出，發(fā)熱區(qū)域主要集中在定子后半段區(qū)域，是由于流道較長(zhǎng)，水冷管道不足以覆蓋整個(gè)定子造成了局部溫度過(guò)高，而且管道在上下兩側(cè)會(huì)導(dǎo)致水冷液交換時(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致?lián)Q熱不徹底。該結(jié)構(gòu)隨著流速的提高并不能有效的降低局部最高溫度，而且?guī)?lái)較大的壓損，這將會(huì)在機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生著嚴(yán)重的影響。為此，在不影響整體結(jié)構(gòu)的前提下，針對(duì)水冷管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取管道在同側(cè)及波紋管的設(shè)計(jì)。同側(cè)管道會(huì)增加換熱時(shí)間，波紋管設(shè)計(jì)可以增加換熱面積，在局部設(shè)計(jì)過(guò)程中并采用伯努利原理設(shè)計(jì)狹縫和弧形空間交替變換，使得水流在先進(jìn)行環(huán)形流動(dòng)，在向徑向流動(dòng)，并把出口和入口設(shè)置到同一側(cè)，以增加換熱效果，模型圖如圖6所示。

由于冷卻管道流速流動(dòng)較為相似，本文僅以1.5 m/s時(shí)的冷卻水的速度進(jìn)行分析，流線圖如圖3所示。通過(guò)流線圖可以看出，此時(shí)入口處流動(dòng)呈現(xiàn)擴(kuò)散狀態(tài)，一部分在頂部擴(kuò)散到出口，一部分由于入口水流的沖擊作用到達(dá)徑向底部，然后通過(guò)縫隙和弧形管道擴(kuò)散到出口，實(shí)現(xiàn)了整體換熱效果。通過(guò)冷卻水道溫度場(chǎng)也可以看出，整體擴(kuò)散從入口到出口相對(duì)均勻，基本上沒(méi)有出現(xiàn)局部散熱不到的情況。

由于定子分布趨勢(shì)較為相似，本文僅以0.5 m/s、1.5 m/s和2.5 m/s時(shí)的冷卻水的速度進(jìn)行分析，定子溫度分布云圖如圖3所示。由圖可知，定子溫度的分布由入口到出口處基本上保持漸變，僅在出口下方一些局部溫度略高的情況，但是整體最高溫度已經(jīng)大大降低，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

將改進(jìn)前后定子最高溫度，水冷管道出口的平均溫度隨流速的變化進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，隨著流速的增大，優(yōu)化后定子溫度逐漸趨于平穩(wěn)。和改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)相比，定子最高溫度的減低了22～28 K，大大提高了水冷系統(tǒng)的利用效率。而且改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)相比之前的壓損略有提高，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 改進(jìn)前后電主軸水冷系統(tǒng)定子溫度及壓差對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

本文170SD30-SY型電主軸模型為研究對(duì)象，建立了電主軸水冷系統(tǒng)的物理及數(shù)學(xué)模型，對(duì)電主軸水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同流速的工況分析，并根據(jù)流動(dòng)特性改進(jìn)了水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下：

(1)電主軸水冷系統(tǒng)溫度場(chǎng)的求解是非常必要的，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的模擬可以清楚地看到電機(jī)內(nèi)部溫度分布的狀況，從而采取相應(yīng)的冷卻措施散熱可以給設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

(2) 對(duì)水冷管道進(jìn)行進(jìn)出口優(yōu)化可以改變水的流動(dòng)方向，采用波紋管使用可以有效的增加換熱面積，二者相互配合可以大大降低溫度分布。