复合加工中心直驱转台主要热源的分析与计算.pdf

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1、复合加工中心直驱转台主要热源的分析与计算水口谢黎明t口冯博口靳岚口苟卫东口裴大为1．兰州理工大学机电工程学兰州7300502．青海一机数控机床有限责任公司西宁810018摘要：直驱转台是影响高速数控机床性能的关键功能部件，其主要热源为电机和轴承。对电机和轴承的发热、传热基理进行了分析和计算，为直驱转台的热变形分析研究提供了可靠的理论依据。关键词：加工中心直驱转台电机轴承分析计算中图分类号：TH139；TM921．54文献标识码：A文章编号：1000—4998(2012)02—0011-03直驱转台作为影响高速数控机床性能的关键功能式中：电压和电流，的大小可以测出，相位角决部件。其电机的损耗发

2、热和轴承的摩擦发热是不可避定有效功率和实际功率的相对大小，电机定子和转子免的。结构及安装方式如图1所示，转台在~I2作过程的发热来源于电机的损耗，有效的电输入功率转化为中．电机和轴承产生的热量，直接影响了转台的热变机械输出功率并以多种形式的损耗散失。形，使机床的加工精度降低，影响整个机床的稳定性。表l电机型号及参数因此对直驱转台的热特性研究是高速数控机床的关键伺服电机型号D20o0，150is额定功率，kW34．6最大扭矩／(N·m)4Oo0额定扭矩／(N·m)22oo额定转速／(r·min-)90最大转速／(r·min)l5O惯量／(kg·m)1．58电缆长度／m121．2电机定子、转子传

3、热分析1．2．1电机定子与循环冷却油之间的对流换热电机和油一水热交换系统冷却油之间的换热属于管内流体强迫对流换热，冷却油在定子冷却套的螺旋矩形槽中流动，螺旋矩形槽的几何形状可以展开成界1电机的发热、传热分析及计算面为矩形的等效油管。冷却油在管中的不同流态具有本文所选用的电机型号为FANUC工作台的内装不同的换热规律，所用的换热系数计算公式也不相同，式伺服电机D2OOO／15Ois，其参数如表l所示。为此必须先计算出雷诺数Re以判别流态。然后选用1．1电机定子、转子发热分析相应的公式进行计算。直驱转台与传统的由电机和机械结构(减速器、蜗管内流体强迫对流换热系数为[·]：轮蜗杆副、滚珠丝杠、联轴

4、器等)组成的回转工作台不w=(2)1．1同，它采用电机转子直接与转台连接，减除了机械传动环节的各个部件，结构简单，但不能采用风扇散热．因式中：A为流体的导热系数，W／(m·K)；D为螺旋槽几此自然散热条件较差。电机在工作时，内部产生功率何特征的定性尺度；为努赛尔数。损耗，使电机发热。热量传递给转台和轴承。产生热变1．2．2电机转子端部的传热形，影响转台加工精度。整个电机的有效输入功率P转子由心部涡流产生的热量一部分通过气隙传递可以由下式确定：给定子，一部分直接传递给主轴和轴承，还有一部分通尸=、／丁cos(1)过端部传给周围的空气。转子端部与周围空气进行对流换热和辐射换热．国家重大科技专项(

5、编号：2010ZX04001—0321收稿日期：2011年9月该热交换的换热系数at可表示为：机械制造50卷第570期2012／2回at=28(14-x／o．45u,)(3)表2轴承型号及参数式中：／／,，为转子端部的周向速度，m／s。轴承型号5l168一MPNN3O48一AS—K—M—SP1．2．3电机的定子和转子气隙传热轴承内径d／mm340240当定子和转子气隙中的气体处在纯层流状态时．轴承外径D／ram420360轴承宽度B／mm6492’热量是通过纯导热由一个表面传到另一个表面。并且基本额定动载荷CJN3800oO850O0o热交换强度不取决于转速[21。‘基本额定静载荷CJN18

6、00o()01560Ooo当定子和转子气隙的气体有层流底层的紊流状态疲劳极限载荷C，N49O()0199oo0时，对流换热系数可表示为⋯：重量／kg19．931．5轴承的摩擦是内外套圈相对运动时．轴承内部各式中：H为气隙几何特征的定性尺度。元件对该运动阻抗的总和，按阻抗的机理和产生部位1I3电机定子转子的发热计算的不同．可分为以下五类[5]：材料弹性滞后所引起的纯1．3．1机械损耗滚动摩擦：发生在套圈和滚动体接触区的微观差动滑机械损耗主要是由于转子高速旋转时与空气间的摩动摩擦；宏观滑动摩擦；自旋滑动摩擦；润滑剂的摩擦擦损耗，主要产生在定子和转子之间的间隙、转子端面损耗。轴承在运转过程中，产生

7、的摩擦越大，热损耗就等处。柱体部件与空气摩擦损耗功率为]：越大，温升越高．磨损也越大，直接影响转台的热变形PM=C'rrpoJRt4L1(5)及加工精度。式中：C为摩擦因数(通常根据经验来确定)；R为旋2．2轴承的传热分析转体的外半径正I为旋转体的长度；为角速度；p为空轴承的传热主要是轴承与油一气润滑系统中压缩气密度。空气的对流换热。轴承使用油一气润滑方式时，油、气定、转子间气隙中气体的摩擦损耗为：混合物经喷