專利名稱：一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法
一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱網(wǎng)絡(luò)方法，特別涉及一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法。
背景技術(shù)：
電主軸是高速機(jī)床的主要熱源和核心部件，由溫度梯度所引起的軸向熱伸長和軸承部件熱變形，會嚴(yán)重影響機(jī)床加工精度和軸承預(yù)緊力。因此，電主軸的熱特性分析是提聞機(jī)床精度的關(guān)鍵技術(shù)之一。電主軸系統(tǒng)包含主軸軸承摩擦生熱和內(nèi)嵌式電機(jī)損耗發(fā)熱兩大熱源，內(nèi)部生熱量大，傳熱和散熱過程復(fù)雜。在主軸設(shè)計(jì)階段，準(zhǔn)確計(jì)算其在不同工作狀態(tài)的下的軸系溫度場 分布既是考核主軸安全高精度運(yùn)行的設(shè)計(jì)指標(biāo)，又是計(jì)算軸承內(nèi)外圈膨脹量和旋轉(zhuǎn)軸熱伸長量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，針對于電主軸的穩(wěn)態(tài)溫度場分析主要是有限元方法，但此方法所需模型復(fù)雜，接觸設(shè)置繁瑣，源程序容量大，占用電腦空間，求解對電腦配置要求高求解時間長，且設(shè)計(jì)人員需要具備一定的有限元知識。而熱網(wǎng)絡(luò)法理論基礎(chǔ)簡單，模型易于建立，邊界條件易于處理，平衡方程為線性方程組，求解程序十分簡單。分析人員可在所關(guān)心的典型區(qū)域添加節(jié)點(diǎn)，避免對不需要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行求解，穩(wěn)態(tài)溫度場速度快。熱網(wǎng)絡(luò)法是將分析對象分成單元節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間靠虛擬的熱阻傳遞熱量，不同換熱方式熱阻的計(jì)算方法不同，對每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)熱流平衡原理建立熱平衡方程，求出各節(jié)點(diǎn)未知量溫度。熱網(wǎng)絡(luò)法求解溫度場目前主要應(yīng)用于齒輪傳遞系統(tǒng)、軸承傳熱系統(tǒng)、建筑物散熱系統(tǒng)以及機(jī)械主軸系統(tǒng)。電主軸是內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)速度高，發(fā)熱量大，散熱邊界條件復(fù)雜?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中缺乏針對于電主軸陶瓷混合球軸承潤滑散熱、螺旋冷卻水散熱的局部熱網(wǎng)絡(luò)細(xì)化以及電機(jī)節(jié)點(diǎn)布置、熱量分配的規(guī)范。同時也忽略了軸承接觸部位的接觸熱阻，這對核心熱源的傳熱有很大影響。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，降低求解電主軸軸系溫度的難度，快速準(zhǔn)確得到軸系關(guān)鍵點(diǎn)的溫度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，I)建立高速電主軸軸對稱二維模型，并根據(jù)傳熱學(xué)分析要求和軸系特點(diǎn)對該模型進(jìn)行初步處理；2)布置各零件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn)以及換熱流體的隱形節(jié)點(diǎn)，然后將節(jié)點(diǎn)之間用熱阻連接，建立軸系的等效熱網(wǎng)絡(luò)；
3)計(jì)算軸承和電機(jī)的整體發(fā)熱量，然后將該熱量分配到發(fā)熱區(qū)域中的熱源節(jié)點(diǎn)上；4)計(jì)算循環(huán)冷卻水與冷卻水套內(nèi)壁、旋轉(zhuǎn)軸與內(nèi)外部空氣、靜止外殼與環(huán)境空氣、軸承滾珠與壓縮空氣的強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)；5)求出各部分傳導(dǎo)熱阻和邊界對流熱阻、滾珠與潤滑脂的導(dǎo)熱熱阻、滾珠與壓縮空氣的對流熱阻以及軸承與軸承座、旋轉(zhuǎn)軸的接觸熱阻，從而建立傳熱物理模型；6)根據(jù)步驟5)的傳熱物理模型建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)基爾霍夫熱流定律，列出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的熱流平衡方程，對線性方程組進(jìn)行消元法求解得到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)明確了電主軸典型零件如軸承、電機(jī)顯示節(jié)點(diǎn)以及冷卻換熱隱形節(jié)點(diǎn)的布置方式(2)提出了基于此軸承節(jié)點(diǎn)模型的滾珠和軌道的接觸熱阻，使軸系溫度場計(jì)算更加準(zhǔn)確(3)對不同軸承潤滑方式，給出相應(yīng)的熱傳導(dǎo)和熱對流熱阻計(jì)算方法，得到更為精確的軸承散熱邊界條件描述方法(4)在按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算兩大熱源發(fā)熱量的基礎(chǔ)上，完善軸承和電機(jī)兩部分節(jié)點(diǎn)的熱量分配方案，將熱網(wǎng)絡(luò)法引入電主軸這一復(fù)雜裝配體的發(fā)熱散 熱計(jì)算領(lǐng)域中。

圖I為本發(fā)明電主軸軸系簡化模型；圖2為本發(fā)明電主軸軸系整體節(jié)點(diǎn)布置圖；圖3為本發(fā)明軸承組件節(jié)點(diǎn)布置及熱網(wǎng)絡(luò)圖；圖4為本發(fā)明電機(jī)節(jié)點(diǎn)布置及熱網(wǎng)絡(luò)圖；圖5為本發(fā)明冷卻部分節(jié)點(diǎn)部分及熱網(wǎng)絡(luò)圖。圖中實(shí)心黑色圓點(diǎn) 代表溫度未知的顯示節(jié)點(diǎn)，懲代表溫度已知的隱形節(jié)點(diǎn)，β代表熱源節(jié)點(diǎn)，空心方框代表導(dǎo)熱熱阻，斜紋填充的方框代表對流熱阻，實(shí)心方框代表接觸熱阻，hgap為軸承外圈與軸承座配合間隙。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)闡述本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，包括以下步驟步驟一建立軸系二維模型在繪圖軟件中，建立軸系的二維軸對稱模型(見圖I)。主軸各零件沿徑向產(chǎn)生溫度梯度，周向溫度趨于一致；各零件關(guān)于軸的中心線是對稱的，這樣不必考慮圓周方向的傳熱；對于小尺寸的倒角圓角、螺栓螺釘孔、引線孔、油孔、預(yù)緊機(jī)構(gòu)的彈簧，冷卻水套兩端的密封圈槽、光柵和速度傳感器以及一些小尺寸的臺階特征進(jìn)行刪除。如果是加工中心主軸，將拉刀機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)軸合并；螺旋水道等效為圓環(huán)；電機(jī)分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子包括鐵心和銅線繞組端部兩部分。轉(zhuǎn)子鐵心、隔套、外部纖維層、繞組等部分合并成一體，表面橋拱凹槽忽略。步驟二 布置節(jié)點(diǎn)，繪制熱網(wǎng)絡(luò)圖熱網(wǎng)絡(luò)法是將主軸軸系零件用節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間的熱阻離散化，比照電路圖生成一個等效的熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。在熱網(wǎng)絡(luò)圖中每一個顯示節(jié)點(diǎn)的溫度是未知的，而將代表溫度已知的空氣或冷卻液的節(jié)點(diǎn)作為隱形節(jié)點(diǎn)。對整個軸系節(jié)點(diǎn)的布置盡量滿足一個節(jié)點(diǎn)的上下左右四個方向各有一節(jié)點(diǎn)(個別邊或頂點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)可能不滿足)，劃分盡量整齊，以達(dá)到最終構(gòu)建成棋盤式的熱網(wǎng)絡(luò)。同時對溫度梯度大的地方，如軸承區(qū)域和電機(jī)定轉(zhuǎn)子區(qū)域進(jìn)行細(xì)分。將主軸系統(tǒng)沿軸向分成以軸承寬度、隔圈長度、水槽寬度、軸上各回轉(zhuǎn)體零件寬度為寬度的軸段，每一段沿徑向布置一列節(jié)點(diǎn)。徑向布點(diǎn)時遵循以下原則節(jié)點(diǎn)由下向上對齊布置，在零件結(jié)合面上布置節(jié)點(diǎn)，徑向兩節(jié)點(diǎn)之間不包含結(jié)合面，以免熱阻由兩部分材料組成。同時注意，在沿徑向布置節(jié)點(diǎn)時保持每一行節(jié)點(diǎn)軸向?qū)R。在各零件的邊界上按以上規(guī)則沿徑向軸向兩個方向?qū)R布置節(jié)點(diǎn)(見圖2)。軸承部分節(jié)點(diǎn)布置對于混合陶瓷球角接觸軸承，在軸承滾珠布置一個內(nèi)部節(jié)點(diǎn)；滾珠和內(nèi)外滾道的接觸處各布置一個邊界節(jié)點(diǎn)，內(nèi)外軌道和滾珠接觸處各布置一個邊界節(jié)點(diǎn)；軸承內(nèi)圈和旋轉(zhuǎn)軸接觸的兩條線段上各布置一個節(jié)點(diǎn)；軸承外圈與軸承座過渡配合，軸承外圈外表面與軸承座內(nèi)表面間有空氣間隙，所以在軸承外圈外表面線段與軸承座內(nèi)表面線段各布置一個節(jié)點(diǎn)(見圖3)。電機(jī)部分節(jié)點(diǎn)布置首先在轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)部布置一行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，遵循軸向徑向?qū)R原則。再在轉(zhuǎn)子定子的邊緣與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對齊布置一圈邊界節(jié)點(diǎn)(見圖4)。隱形節(jié)點(diǎn)布置隱形節(jié)點(diǎn)是指對流換熱中的流體節(jié)點(diǎn)，如代表外部空氣 、內(nèi)部空氣、油氣潤滑壓縮空氣以及冷卻液的節(jié)點(diǎn)，由于其溫度已知，所以只作為輔助節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在熱網(wǎng)絡(luò)中，不與其他節(jié)點(diǎn)連接，只與其冷卻的節(jié)點(diǎn)生成一個與換熱方向(軸向、徑向)對應(yīng)的對流換熱熱阻，各部位的具體布置方法見附圖5，在兩個圓柱套筒間存在流動的空氣或冷卻水，固液之間發(fā)生豎直方向上的對流換熱.在固流接觸的界面上布置一個待冷卻的節(jié)點(diǎn)，在其豎直方向的液體中各布置一個溫度已知的隱形節(jié)點(diǎn).待冷卻的節(jié)點(diǎn)與隱形節(jié)點(diǎn)生成一個對流換熱熱阻。步驟三熱源發(fā)熱計(jì)算和熱量分配I.軸承發(fā)熱計(jì)算及熱量分配軸承發(fā)熱由軸承摩擦力矩引起，可由下式計(jì)算Q軸承=1. 047 X ΙΟΛιΜ (W)式中η為軸承轉(zhuǎn)速(rpm)M為軸承摩擦力矩(N · mm)軸承摩擦力矩可以分為負(fù)荷項(xiàng)M1和速度項(xiàng)MtlM=MJM0當(dāng)運(yùn)動粘度V與轉(zhuǎn)速η的乘積大于2000cSt · r/min時M0 = IO 7./,；(V/ )2 dl(N ·mm)當(dāng)運(yùn)動粘度V與轉(zhuǎn)速η的乘積小于2000cSt · r/min時Mil = 160x10 fd 'r (N ■ nun)式中，&為與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，單列油霧或油氣潤滑時，取1，油脂潤滑時，取2 ;雙列脂潤滑，為4 ；dm為軸承中徑(mm) ；v為工作溫度下潤滑劑的運(yùn)動粘度(脂潤滑取基油的粘度)
(mm2/s ) οM1按照下式計(jì)算M1=^P1Clm (N · mm)式中，f,為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)，P1為軸承摩擦力矩的計(jì)算負(fù)荷。對于角接觸軸承,單列^=0. 0013(P0/C0)°·33
P1=Fa-O. IFr式中Fa和Fr分別為軸承所承受的軸向力和徑向力，P1為確定軸承摩擦力矩的計(jì)算負(fù)荷，C0為基本額定靜負(fù)荷值，P0為當(dāng)量靜載荷，對于主軸軸承P0=O. 5Fr+Y0Fa式中，Y0為軸向靜載荷系數(shù)，接觸角為15。時，Y0=O. 46，接觸角為25。，Y0=O. 38。對于本發(fā)明中建立的軸承熱網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)軸承摩擦發(fā)熱機(jī)理，內(nèi)外圈與滾珠接觸的四個邊界節(jié)點(diǎn)為熱源節(jié)點(diǎn)，即滾珠上有兩個熱源節(jié)點(diǎn)，內(nèi)圈和外圈上分別有一個熱源節(jié)點(diǎn)，其發(fā)熱量均為Qiw/4。
2.電機(jī)發(fā)熱計(jì)算和熱量分配假定損失的功率都轉(zhuǎn)化為熱量，那么電機(jī)整體發(fā)熱量Qwa為Q_ =Pn(I-η)其中，Pn為一定轉(zhuǎn)速下電機(jī)的功率(W) ; n為電機(jī)的效率。在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，1/3的電機(jī)發(fā)熱量由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，其余2/3熱量由定子產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子、定子的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均可視為熱源節(jié)點(diǎn)，邊界節(jié)點(diǎn)為非熱源節(jié)點(diǎn)。將轉(zhuǎn)子、定子熱量
平均分配給各自的熱源節(jié)點(diǎn)。即轉(zhuǎn)子內(nèi)部的每一個熱源節(jié)點(diǎn)發(fā)熱量為，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的每
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一個熱源節(jié)點(diǎn)發(fā)熱量為，其中K、N2分別為轉(zhuǎn)子定子的內(nèi)部熱源節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
JiV2步驟四換熱系數(shù)計(jì)算I.主軸靜止表面與空氣換熱系數(shù)主軸靜止零件外表面與外部空氣對流換熱、主軸靜止零件內(nèi)表面與內(nèi)部空氣對流換熱可按以下自然對流換熱系數(shù)公式計(jì)算式中，Nu為努賽爾數(shù)，λ &為在一定溫度下的空氣導(dǎo)熱率(W/(mm*K))，de為特征長度，即換熱圓柱表面直徑(mm)。其中，努賽爾數(shù)Nu=O. 53 (GrPr) °_25，其中，Gr為格魯曉夫數(shù)，Pr為一定溫度下的空氣普朗特數(shù)格魯曉夫數(shù)g為重力加速度；β為在一定溫度下的空氣熱膨
air
脹系數(shù)(IT1)5TsS固體表面溫度⑷；T&為與固體表面接觸的空氣溫度⑷；ν&為在一定溫度下的空氣運(yùn)動粘度(mm2/s)。。2.冷卻液換熱系數(shù)進(jìn)出水道內(nèi)的強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)h2計(jì)算方法
. Nli. λ^2 = -—
de式中，Nu為努謝爾特數(shù)，λ為冷卻液熱傳導(dǎo)系數(shù)，de為特征尺寸(m)；其中，Nu按以下計(jì)算由于冷卻水管道內(nèi)流體處于紊流狀態(tài)(Re>2200)，且當(dāng)壁面和流體間的溫差不大(如氣體為At〈50°C，水為At〈30°C，油類At〈10°C)時，對流體被加熱的情況采用Nu=O. 023Re°_8Pr°_4來計(jì)算努賽爾數(shù)，其中，Re為雷諾數(shù)，Pr為冷卻液在一定溫度下的普朗特數(shù)；
、 Ifd其中，兄=一^ u為冷卻液流速(m/s)，V為冷卻液運(yùn)動粘度(m2/s);其中，4 =^r f為流通截面積(m2)，U為被流體濕潤的周邊長度U)。
υ ,對于冷卻水套的螺旋水道內(nèi)冷卻液換熱，按以上方法計(jì)算出，再乘以一個修正系數(shù)，即:
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，包括以下步驟 .1)建立高速電主軸軸對稱ニ維模型，井根據(jù)傳熱學(xué)分析要求和軸系特點(diǎn)對該模型進(jìn)行初步處理； .2)布置各零件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn)以及換熱流體的隱形節(jié)點(diǎn)，然后將節(jié)點(diǎn)之間用熱阻連接，建立軸系的等效熱網(wǎng)絡(luò)； .3)計(jì)算軸承和電機(jī)的整體發(fā)熱量，然后將該熱量分配到發(fā)熱區(qū)域中的熱源節(jié)點(diǎn)上； .4)計(jì)算循環(huán)冷卻水與冷卻水套內(nèi)壁、旋轉(zhuǎn)軸與內(nèi)外部空氣、靜止外殼與環(huán)境空氣、軸承滾珠與壓縮空氣的強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)； .5)求出各部分傳導(dǎo)熱阻和邊界對流熱阻、滾珠與潤滑脂的導(dǎo)熱熱阻、滾珠與壓縮空氣的對流熱阻以及軸承與軸承座、旋轉(zhuǎn)軸的接觸熱阻，從而建立傳熱物理模型； . 6)根據(jù)步驟5)的傳熱物理模型建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)基爾霍夫熱流定律，列出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的熱流平衡方程，對線性方程組進(jìn)行消元法求解得到各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于在步驟I)中，對ニ維模型進(jìn)行初步處理的具體方法為對于小尺寸的倒角圓角、螺栓螺釘孔、引線孔、油孔、預(yù)緊機(jī)構(gòu)的彈簧，冷卻水套兩端的密封圈槽、光柵和速度傳感器以及ー些小尺寸的臺階特征，在ニ維模型中進(jìn)行刪除；對于加工中心主軸，將拉刀機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)軸合并；對于冷卻水套螺旋水道，將其等效為不連通的圓環(huán)；對于轉(zhuǎn)子鉄心、隔套、外部纖維層、轉(zhuǎn)子繞組，將其合并成一體，表面橋拱、凹槽忽略；對于定子，將定子簡化為矽鋼片和銅線繞組端部兩部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于在步驟2)中，各個節(jié)點(diǎn)的布置原則為對整個軸系節(jié)點(diǎn)的布置滿足ー個節(jié)點(diǎn)的上下左右四個方向各有ー節(jié)點(diǎn)，最終構(gòu)建成棋盤式的熱網(wǎng)絡(luò)；對于溫度梯度大的地方，進(jìn)行細(xì)分。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于步驟2)中，各個節(jié)點(diǎn)按照以下布置 .2.I)將主軸系統(tǒng)沿軸向分成以軸承寬度、隔圈長度、水槽寬度、軸上各回轉(zhuǎn)體零件寬度為軸向長度的軸段，每一段沿徑向布置一列節(jié)點(diǎn)；徑向布點(diǎn)時遵循以下原則節(jié)點(diǎn)由下向上對齊布置；在零件結(jié)合面上不布置節(jié)點(diǎn)，即徑向兩節(jié)點(diǎn)之間不包含結(jié)合面，以免熱阻由兩部分材料組成；在沿徑向布置節(jié)點(diǎn)時保持每一行節(jié)點(diǎn)軸向?qū)R，在各零件的邊界上按以上規(guī)則沿徑向軸向兩個方向?qū)R布置節(jié)點(diǎn)； .2.2)軸承部分節(jié)點(diǎn)布置對于混合陶瓷球角接觸軸承，在軸承滾珠布置ー個內(nèi)部節(jié)點(diǎn)；滾珠和內(nèi)外滾道的接觸處各布置ー個邊界節(jié)點(diǎn)，內(nèi)外軌道和滾珠接觸處各布置ー個邊界節(jié)點(diǎn)；軸承內(nèi)圈和旋轉(zhuǎn)軸接觸的兩條線段上各布置一個節(jié)點(diǎn)；軸承外圈與軸承座過渡配合，軸承外圈外表面與軸承座內(nèi)表面間有空氣間隙，所以在軸承外圈外表面線段與軸承座內(nèi)表面線段各布置一個節(jié)點(diǎn)； .2.3)電機(jī)部分節(jié)點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)部布置一行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，遵循軸向徑向?qū)R原貝U，在轉(zhuǎn)子、定子的邊緣與內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對齊布置ー圈邊界節(jié)點(diǎn)； .2.4)隱形節(jié)點(diǎn)布置隱形節(jié)點(diǎn)是指對流換熱中的流體節(jié)點(diǎn)，如代表外部空氣、內(nèi)部空氣、油氣潤滑壓縮空氣以及冷卻液的節(jié)點(diǎn)，由于其溫度已知，所以只作為輔助節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在熱網(wǎng)絡(luò)中，與其他節(jié)點(diǎn)不連接，只與其冷卻的節(jié)點(diǎn)生成ー個對流熱阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于步驟3)中，熱量分配的步驟為 1)軸承熱量分配根據(jù)軸承摩擦發(fā)熱機(jī)理，內(nèi)外圈與滾珠接觸的四個邊界節(jié)點(diǎn)為熱源節(jié)點(diǎn)，即滾珠上有兩個熱源節(jié)點(diǎn)，內(nèi)圈和外圈上分別有ー個熱源節(jié)點(diǎn)，將軸承整體發(fā)熱量平均分給這四個熱源節(jié)點(diǎn)，即每個節(jié)點(diǎn)發(fā)熱量均為Q/4 ； 2)電機(jī)熱量分配 在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，1/3的電機(jī)發(fā)熱量由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，其余2/3熱量由定子產(chǎn)生；轉(zhuǎn)子、定子的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均可視為熱源節(jié)點(diǎn)，邊界節(jié)點(diǎn)為非熱源節(jié)點(diǎn)；將轉(zhuǎn)子、定子熱量平均分配給各自的熱源節(jié)點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子內(nèi)部的每ー個熱源節(jié)點(diǎn)發(fā)熱量為1/3Q/N1，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的每ー個熱源節(jié)點(diǎn)發(fā)熱量為2/3Q/N2，其中N1，N2分別為轉(zhuǎn)子定子的內(nèi)部熱源節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或5所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于熱源包括軸承發(fā)熱和電機(jī)耗損產(chǎn)生的熱源，按照以下計(jì)算 軸承發(fā)熱由軸承摩擦カ矩引起，為Q軸承=1.047X KT4IiM (W)，其中，n為軸承轉(zhuǎn)速(rpm), M為軸承摩擦カ矩； 設(shè)定電機(jī)損失的功率全部轉(zhuǎn)化為熱量，則電機(jī)發(fā)熱量Q ^為Q WA= Pn(I- n)，其中，Pn為電機(jī)的功率(W) ； n為電機(jī)的效率。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于步驟4)中所述換熱系數(shù)按照以下計(jì)算 .4.I)主軸靜置表面與空氣的換熱系數(shù) 主軸靜止零件外表面與外部空氣對流換熱、主軸靜止零件內(nèi)表面與內(nèi)部空氣對流換熱按自然對流換熱系數(shù)公式計(jì)算
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，其特征在于步驟5)中的熱阻包括熱傳導(dǎo)熱阻、對流換熱熱阻、接觸熱阻，以及換熱熱阻，將各個熱阻等效為圓柱、圓筒熱傳導(dǎo)熱阻、對流換熱熱阻、接觸熱阻和換熱熱阻，按照以下計(jì)算 ·5.I)熱傳導(dǎo)熱阻 A)圓筒徑向熱傳導(dǎo)熱阻R1為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電主軸穩(wěn)態(tài)溫度場的熱網(wǎng)絡(luò)建模方法，包括以下步驟(1)建立電主軸軸對稱二維模型，(2)建立軸系的等效熱網(wǎng)絡(luò)；(3)計(jì)算軸承和電機(jī)的整體發(fā)熱量，并將熱量分配給發(fā)熱節(jié)點(diǎn)；(4)根據(jù)不同散熱條件下的傳熱學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算邊界節(jié)點(diǎn)與流體進(jìn)行換熱的對流換熱系數(shù)；(5)將各節(jié)點(diǎn)之間的傳熱等效為理想幾何體傳熱，求出各部分傳導(dǎo)熱阻和邊界對流熱阻，建立傳熱物理模型；(6)建立數(shù)學(xué)模型，選定求解算法。本發(fā)明將熱網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用于具有軸承和電機(jī)兩大熱源以及復(fù)雜對流換熱邊界的高速主軸系統(tǒng)，降低了求解主軸復(fù)雜裝配體各零件特征溫度的難度，與求解傳熱微分方程相比，是一種快速準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)溫度場計(jì)算方法。
文檔編號G06F17/50GK102867088SQ20121033706
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者洪軍, 王夢茜, 吳文武, 郭俊康, 劉光輝 申請人:西安交通大學(xué)