0 引（yǐn）言（yán）

      電主軸（zhóu）係統是車銑複合加工中心（xīn）的核心功能部件，因電機和軸承的（de）生熱（rè）不可避免，隨著轉速（sù）升高，主軸係統溫度不斷上升。由此引起的熱變形是影響機床加工（gōng）穩定性的重要因素［1］。本文采用（yòng）有限元方法建立電主軸係統（tǒng）合理（lǐ）模（mó）型（xíng），通過把計（jì）算得到的（de）生（shēng）熱和傳熱參數以邊界條件形式施加到有限元模型上，計算得到（dào）主軸係統溫度（dù）場分布，並進行分析（xī）。

      1 電主軸係統生熱和散熱分析

      電主軸（zhóu）內部傳熱是個複雜的生（shēng）熱和散熱過程，影響因素較多。電主軸兩個主要的（de）熱源為內裝式電動機（jī）的發熱和軸承的摩擦發熱［2］。電主軸產生的部分熱量通（tōng）過與冷卻係統進行對流（liú）傳熱被帶走，還有（yǒu）部分熱量傳到主軸和（hé）軸承（chéng）上，導致主軸和軸承溫度升高變形，影響機床加工精度。電主軸係統的傳熱主要可分為三類: 電（diàn）機和軸承的生成熱量向主軸和主軸箱體的傳（chuán）熱; 主軸冷卻係統對主軸部件的對流（liú）換熱; 空氣與（yǔ）主軸部件（jiàn）的對流換熱（rè），如圖1 所示。

      1. 1 電動機（jī）生熱

      研究發現電動機有（yǒu）近1 /3 的熱量是由（yóu）電動機轉子產生（shēng），並且轉子產生（shēng）的部分熱量通過定子與轉子的氣隙傳入定子中，部分熱量直接傳到主軸和軸承上。其餘2 /3 的熱量由定子產生。假定電動機的（de）額定功率損耗全部轉化為熱量。定子和轉子各自簡化為（wéi）厚壁圓筒，通過公（gōng）式( 1) 計算得到定子（zǐ）和轉（zhuǎn）子的生熱（rè）率:

      1. 2 軸承生熱

      滾（gǔn）動軸承的發熱主要是由於（yú）軸（zhóu）承的摩擦力（lì）矩（jǔ）引（yǐn）起的，Palmgren 通過實驗研究（jiū）給出了摩擦力矩的計算公式（shì），並認為在中等（děng）載荷和中等轉速條件下，摩擦力矩主要由空載時潤滑油粘性產生的摩擦力矩Mo和與速度無關的載荷作用產生的摩擦力矩Mf兩部分組成（chéng）。軸承產生的熱量通過公式( 2) 計算得到:

      1. 3 電機定子（zǐ）與（yǔ）冷卻油之間（jiān）的對流換（huàn）熱（rè）

      電機定子與冷卻油之間的換熱屬於管內流體（tǐ）強迫對流（liú）換熱。冷卻油（yóu）在定（dìng）子冷卻套的螺旋矩形槽中流動。螺旋（xuán）矩形槽的幾何（hé）形狀可以展開成截麵（miàn）為矩形的（de）等效油管。冷卻油在管內的不同流（liú）態（tài）具有不同的換熱規（guī）律（lǜ），所用的換熱係數計算公式也不同，因此必須先（xiān）通過計（jì）算雷諾數Re 來判別流態，然後再進行相應的計（jì）算［4］。Re 是一個無量綱，計算公式如( 5) :

      工程計算通常以臨界雷（léi）諾數Rec = 2200 區分層流和紊流。對（duì）流體被加熱的情況采用努謝爾特數計算:

      2 電主軸溫度場的有限元分析

      考慮到（dào）主軸係統的軸對稱結構，為（wéi）了（le）提高計算效率，建模時可隻取電主軸的一（yī）半進行計算。建模時作如下簡化:

      定子和轉子各簡化為厚壁圓筒，有均勻分布熱源（yuán），熱量通（tōng）過內外表麵傳遞到周圍介質中（zhōng）去; 忽略所（suǒ）有的螺釘、通氣、通油孔以及一些其他細小結（jié）構［8］。選用PLANE55 單元進行電主軸係（xì）統的（de）有限元模型，並對（duì）軸承部分（fèn）網格進行細化，建立得到的電主軸模型如圖2 所（suǒ）示。

      通過前麵公式計算得到生熱率和傳熱係數以（yǐ）邊界的形式施加到有限元模型上，計算得到電主軸（zhóu）工作轉速（sù）為1000RPM 時，電（diàn）主軸係統的溫度場分布如圖3 所示，電主軸工（gōng）作轉速為4000RPM 時，電主軸係統的溫度場分布如圖4 所示。

      電（diàn）主軸設計的（de）最高工作轉速（sù）為4000RPM，對電主（zhǔ）軸進行從開始到轉速穩定在4000RPM 時的瞬（shùn）態分析（xī），初始（shǐ）環境溫度設定為20°，計算得到（dào）主軸各部分溫度隨時間的變化如圖5 所示，圖中（zhōng）綠色代表前端軸承溫度，紅色代表電機溫度，藍色代表後（hòu）端軸承溫度隨時（shí）間的變化。

      隨著轉速（sù）的增大（dà），電主軸溫度場的溫度也隨著升高。主軸係統前端采用QBC 四聯組（zǔ）支承，發熱較大，軸承的溫度隨著轉速變化較大，圖6 和圖7 為計算得到前後（hòu）端軸承溫度隨轉速的變化情況，前後軸承的溫度均隨著轉（zhuǎn）速增大而升高，但是前端軸承受轉速影響較大，而後端軸承受（shòu）轉速影響較小。

      3 結束語

      本文通過對電主軸係（xì）統的溫（wēn）度（dù）場分析，可以得到以下結（jié）論:

      ( 1) 主軸係統轉速為4000RPM 時（shí），主軸（zhóu）各部件溫度（dù）不斷上升，約2 小時係統達到熱（rè）平衡，最高溫度為轉（zhuǎn）子和軸承處，約為65℃。

      ( 2) 前端支承由於采（cǎi）用四聯組QBC 型組配，發熱量較大，並且受電機發熱影響，轉速達到6000RPM時，球軸承溫度接近100℃，溫度過高。

      ( 3) 後端滾子軸承由（yóu）於散熱條件較大（dà），並且較前端軸承發熱量較小，溫（wēn）升不高。

      ( 4) 要提高（gāo）主軸工作轉速，必須改進前端（duān）軸承支承，例（lì）如改變潤滑方式，加冷卻套等。