高速电主轴热特性分析及轴芯冷却研究
高速电主轴内部空间有限，电机转子和定子都安放在壳体内部，电主轴内部生热率大，空气流通性差，导致转子产生的热量，大量流入电主轴转轴系统。因此，转轴温度较高，产生较大热伸长量，累积到电主轴鼻端产生热误差。同时温度场升高也会对轴承产生不可忽视的影响，即影响寿命也改变了轴承预紧力，降低了加工精度。针对上述问题，本文从电主轴热学分析开始，通过仿真结果明确电主轴内部复杂的温度产生变化的原因及其影响，提出冷却方案和结构。采用一种轴芯冷却结构，对转轴温度进行冷却，间接对转子冷却环境做出改善。本文主要研究内容包括： 采用有限元方法对电主轴生热和传热进行分析，包括简化模型、热源生热计算、零件表面换热系数计算、建立有限元仿真模型。对其稳态后的热特性进行分析，并根据温度场数据建立热-固耦合仿真分析。为电主轴热误差预测模型检验提供理论依据，同时为进一步提出冷却结构优化策略做出基础支持。 依据电主轴整机热特性分析结果进行实验验证，包括设计验证实验，采集五组转速条件下的温度和热误差。分析仿真结果与实验结果产生的误差原因，为建立热误差预测模型提供数据支持。 补偿系统是提高加工精度的重要环节，建立热误差预测模型是抑制误差的基础。本文通过混合灰狼优化算法在限定范围内全局搜索支持向量回归模型的惩罚因子和核函数宽度，选择适应度最好的参数建立支持向量回归模型预测电主轴热误差。以一组转速下实验数据作为训练，预测不同转速条件下热误差量，验证所建立模型对于热误差预测的可行性。建立对比模型，展现模型精度和鲁棒性。 为进一步改善主轴内部温度场情况，针对高速运转的电主轴转子散热条件有限这一问题进行改进，采用转轴开设冷却水道，进行冷却。并分析了冷却原理，基于质量流不变原理进行流体仿真分析，得到流场的速度、压强及换热系数分布规律。进而使用热网络法，对轴芯冷却结构电主轴热误差及温度场进行研究，验证轴芯冷却结构可行性。
高速电主轴;热固耦合;热误差建模;轴芯冷却结构;温度场
哈尔滨理工大学
硕士
机械设计及理论
王刚
2022
中文
TH133.2
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）