油气润滑机械主轴热特性的有限元分析.pdf

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1、第４期（总第１９７期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１６年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０４-００６４-０３油气润滑机械主轴热特性的有限元分析陈功，朱如鹏，李苗苗（南京航空航天大学机电学院，江苏南京２１００１６）摘要：以加工中心用高速油气润滑机械主轴为研究对象，运用有限元软件ＡＮＳＹＳ研究了各工况和油气润滑参数对主轴尤其是主轴轴承温升的影响。研究结果表明：随着转速的增加，前后轴承温升增加；随着加载载荷的增加，前后轴承的温升和温差缓慢增加；低转速下，轴承温升和温差受润滑油黏度的影响较小，高转速下受润滑

2、油黏度的影响较大。关键词：机械主轴；油气润滑；热特性；有限元分析中图分类号：ＴＰ３９１.７文献标识码：Ａ0引言1有限元模型的建立及网格的划分在精密加工中，由机床热变形所引起的制造误差占图１为某加工中心油气润滑机械主轴结构简图。［１］总误差的４０％～７０％。主轴作为机床的主要部件，其主轴轴芯为空心轴，左端安装刀柄和刀具，右端通过联性能的好坏直接影响机床的整体水平。因此，主轴尤其轴器与电机相连接，冷却套筒７的右端用螺钉通过电是主轴轴承的热特性研究对保证机床的精度至关重要。机板与电机连接成一体，这样，右端电机通过联轴器带［２］［３］张柏霖、王保民等对主轴系统的温度场进行动主轴高速旋转，进

3、而带动刀具高速旋转。了仿真分析，分析了转速和空气流量对主轴轴承温升图２为导入ＡＮＳＹＳ后的主轴结构图。在ＡＮＳＹＳ［４］［５］的影响。Ｙ-ＲＪｅｎｇ、ＣｈｅｎｇＨｓｉｅｎＷｕ等通过试验中建立主轴的简化模型后，接下来需要对主轴进行网研究了转速、载荷、润滑油黏度等因素对主轴轴承温升格划分，考虑到轴承处的温度需要着重考查，故需要对［６］的影响。国内外对主轴轴承的热特性影响因素已经进轴承处的网格进行细化。网格划分方法为：前后轴行了一定的研究，但是在载荷和润滑油黏度对轴承温承处采用六面体单元，网格尺寸设置为２ｍｍ；其余各处升的影响方面研究较少，因此本文研究了转速、载荷、采用四面体网格单元，网

4、格尺寸设置为１０ｍｍ。网格划润滑油黏度对主轴轴承温升的影响，为降低主轴温升、分结果为５３８７７８个节点，１９７４８１个单元。主轴的网改善主轴温度场分布提供了理论依据。格划分模型如图３所示。１－前轴承端盖；２-１－前轴承１；２-２－前轴承２；３-１－后轴承１；３-２－后轴承２；４－后轴承端盖；５－主轴轴芯；６－主轴外套；７－主轴冷却套筒图１油气润滑机械主轴结构简图图２导入ＡＮＳＹＳ后的主轴结构图图３主轴网格划分模型2热分析边界条件的确定与速度有关的项。２．１主轴热源的计算M１反映了弹性滞后和局部滑差的摩擦损耗，其该机械主轴系统主要热源为前、后轴承的摩擦发计算公式为：［７］热，根据ｐａ

5、ｌｍｇｒｅｎ提出的计算公式，轴承滚动体和M１＝f１P１dm．（２）滚道间接触区的摩擦发热量Q（Ｗ）为：其中：f１为与轴承类型和所受负荷有关的系数；P１为－４Q＝１．０４７×１０nM．（１）确定轴承摩擦力矩的计算负荷，Ｎ；dm为轴承中径，其中：n为轴承转速，ｒ／ｍｉｎ；M为轴承摩擦力矩，Ｎ・ｍｍ。ｍｍ，M＝M１＋M２，M１为与轴承负荷有关的项，M２为M２反映了润滑剂的流体动力损耗，其计算公式为：收稿日期：２０１５-１２-１６；修订日期：２０１６-０６-１０作者简介：陈功（１９９１-），男，江苏宿迁人，在读硕士研究生，研究方向：机械传动。２０１６年第４期陈功，等：油气润滑机械主轴热特性

6、的有限元分析・６５・－７２／３３M２＝１０f０（n）μdmn≥２μ０００当量直径D＝４A，A为流道截面积，ｍ２，U为流道截面－７３．（３）M２＝１６０×１０f０dmn＜２μ０００U２周长，ｍ。其中：为润滑μ油运动黏度，ｍｍ／ｓ；f０为与轴承类型［８］２．２．３主轴轴芯内表面及端面与空气之间的对流换和润滑方式有关的经验常数，一般取f０＝１。实际加载的轴承热载荷为生热率形式，轴承滚动热系数３主轴轴芯内表面及端面与周围空气之间的对流换体生热率q（Ｗ／ｍ）的计算公式为：Q热系数采用公式（７）进行计算，将其中的u换为轴端的q＝π２d２．（４）圆周外圆速度，ｍ／ｓ。m（Db／２）其中：Db为轴

7、承滚动体直径，ｍｍ。２．２．４主轴轴芯外表面和轴外壳内表面与压缩空气２．２对流换热系数的计算的对流换热系数２．２．１轴承与油气润滑系统中压缩空气的对流换热主轴轴芯外表面和轴外壳内表面与压缩空气之间为２［１０－１１］系数强迫对流换热，取对流换热系数为８０Ｗ／（ｍ・℃）。主轴轴承采用油气润滑方式进行润滑时，油气混２．２．５主轴上静止表面与空气之间的对流换热系数合物中的润滑油含量极少，可以认为热交换只发生在取静止表面与外界空气之间的自然对流换热系数２［１２－１３］轴承和压缩