高速电主轴热态特性分析及温度预测研究
高速滚珠轴承电主轴热态特性分析
高速滚珠轴承电主轴热态特性分析姜本刚;雷群;杜建军【摘要】为研究高速滚珠轴承电主轴的热特性对其性能的影响,计算轴承的热源生热并进行热特性仿真.研究轴向载荷和转速对接触角的影响规律,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗.结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式.结合热源生热计算结果,运用ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热分析和瞬态热分析,发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域.将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析,发现最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域.设计空载电主轴温升测定实验,验证仿真结果的正确性.%To study the influence of the thermal characteristics of the motorized spindle of ball bearings on its performance,the heat source calculation and the thermal characteristic simulation of the bearing were performed.The heating consumption of the bearing was analyzed by the local heat calculation method.It is found that the influence of the bearing speed on thermal consumption is greater than that of axial load,and the ball's spin is the main form of the ball bearing heating.Based on the calculation results of heat source,the steady-state and transient-state analysis were performed respectively by ANSYS under a certain speed with no load.The result shows that the highest temperature appears in the iron core of the motor rotor.The thermal-structure coupling analysis was carried out by loading the steady-state thermal analysis results to the finite element model.The results show that the maximum axial displacementappears at the front of the spindle,and the maximum axial stress appears on the contact point between the ball and the outer ring of the front bearing.An experiment of temperature rise measurement was performed by a no load spindle,the measuring results verified the accuracy of the simulation results.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)002【总页数】8页(P6-12,18)【关键词】电主轴;角接触球轴承;局部热计算法;热分析【作者】姜本刚;雷群;杜建军【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055;广州市昊志机电股份有限公司广东广州511356;哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TH133.37电主轴是高性能机床的核心部件，将转轴、驱动电机和轴承集成为一体，其性能直接决定了高速切削的质量[1]。
分析高速机床电主轴的热管冷却
分析高速机床电主轴的热管冷却摘要高速机床相对于传统的加工机床来说具更高的加工速度以及较优秀的零件精度及切削表面质量，为现代化的机械加工业提供更优质的服务。
但是由于高速机床在工作的过程中，是由电主轴的高速旋转来完成工作的，在这一进程中产生了大量的热量，温度的升高使得机械产生热膨胀，从而使得零件的制造精度降低，误差较大，因此采取有效的降温措施是保证高速机床正常工作的必然选择。
本文中主要针对高速机床电主轴的热管冷却进行了详细的分析及探讨。
关键词：高速机床；电主轴；热管冷却高速机床在使用的过程当中，处于高速旋转状态下的电主轴的各个零件都会表现为或强或热的发热现象，如果不采取及时且有效的冷却措施，就会使得电主轴与机床中的其它结构的相对位置等参数相较于正常运转状态存在较大的误差，特别是电主轴发生较强的热膨胀时，会严重的影响着零件的加工误差，此外，由于温度得不到很好的控制，也会使得电主轴过热而发生局部的应用变化等，等而减少高速电主轴的使用寿命，增加了生产成本，因此应采用合理的冷却系统，提高电主轴的冷却水平，从而更有利于稳定机械加工质量，保护高速机床设备。
1.创新高速电主轴冷却系统的必要性分析在当今我国使用的高速机床中，在进行高速主轴冷却工作时，大多数是采用在主轴壳体内添加冷却油的形式来实现的，这些冷却油在主轴的工作过程中得到不断的循环，从而将热量带下次，达到主轴冷却的最终目的。
在具体的工作中，这些冷却油在油温控制器的控制下，经前端盖处的入水口，流入到前端轴承外围，并完成对前端轴承的冷却工作，随后再流向主轴的定子及后轴承，完成相应的冷却任务后，再流回主轴油温控制品，这一流程的结束即完成了一次冷却循环。
高带电主轴在工作中之所以会发出热量，究其原因主要是其存以以下的发热源，首先位于机床主轴结构中的主轴电动机高速旋转而发出的热量，是其内部结构的主要热量来源；其次，由于电动机在主轴壳体内的高速转动使得壳体内的空气发热，同时再通过主轴壳体等散发了出去，这使得主轴的温度有所升高，甚至于其使用寿命也会有所缩短，零件的加工精度也得不到有效保证；最后，在转动过程中，主轴轴承摩擦所产生的热能也是热源之一。
高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制
Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎｔＡｎａ ｙ ｉ ｆＴｈ ｒ ａ ｌ ｓｓ ｏ ｅ ｍ ｌＣｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ａ ｄ Ｔｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｓ ｎｔ ｏ ｏｒ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｍ ｒ ｔ ｅ Ｒｉｅ Ｃｏ ｒ ｌｆ Ｈ ｉｈ Ｓ ｅ ｏ ｏ ｉｅ ｐｉ ｄｌ ｇ ｐｅ ｄ Ｍ ｔ ｒ ｚ ｄ Ｓ ｎ ｅ Ｗ ＥＮ Ｈｕ ｉｘ ｎ ａ — ｉ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ｅ— ａ Ｍ ｉｙ ｎ
Ａｂｓｒ ｃ ｔ ａ ｔ：Ａ ｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｎｔｒ ｌ ｏ ｏ ｈ ｒ ｃ ｅｉｔｃ ｆｈｇ ｐｅ ｄ ｍｏ ｏ ｉ ｅ ｐｉ ｄｅ ｈｅ ｔｓ ｕ ｃ ｓａ ｅ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈｅｉ ｅｎａ ｔ ｒｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｔ ｒｚ ｄ ｓ ｎ ｌ， ａ ｏ ｒ ｅ ｒ ｍ
ｃｏｎｔｏ１ ｒ
Ｏ 引 言
电主轴作 为 一 种 新 兴 的 机 床 主轴 结 构 ， 采用 内
态 特 性 的 研 究 与 电 主 轴 温 升 的 控 制 是 电 主 轴 需 要 解
决 的关 键 问题 之 一 。
装 式 电机 直接驱 动形 式 ， 和传 统 的 主传 动方 式 相 比 ，
具 有结构 紧凑 、 动链 短 、 械效 率 高 、 传 机 噪声 低 、 动 振 小 和 回转 精度 高等优 点 。 电主轴 的应 用 不仅 大 大 提 高 了加 工效率 和加 工质 量 ， 降低 了产 品成本 ， 且 可 并 以实现薄 壁零件 和难加 工材料 的精密 加工 。 高速 电主 轴 是 高 速数 控 机 床 的核 心 部 件 ， 机 对 床 的加工 精度 和 效 率 影 响 很 大 ， 其 内装 式 电机 的 但 结 构 ， 得 高速 电主 轴 的发 热 量 大 ， 热条 件 差 ， 使 散 进 而 直接影 响 到 主 轴 的 精 度 。因 此 ， 高速 电 主轴 热 对
高速木工机械电主轴热态特性分析
计 ， 电主 轴 中 的 Ｈ Ｋ拉 刀 机 构及 后 支 座 不参 加 有 Ｓ
速木 工机 械 电主轴 的两 个 主要 内部 热 源．
２ １ 内装 式 电 动 机 的 损 耗 发 热 ．
对 于 角 接触 球 轴 承 ， 当量 静载 荷 按 下 述 两式 其
计 算 ， 取 其 中较大 值． 并
电 机 转 子 和 定 子 的 发 热 来 源 于 电 机 的 损 耗 ．电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ： 械 损 耗 、 损 耗 、 损 耗 机 磁 电
Ｐ。 ． Ｆ ＝１ ４ 一０ １ ， ． Ｆ， （） ５
式 （） ，， １ 中 Ｑ—— 轴 承 摩擦 发热 量 ， Ｗ；
— —
摩擦 总 力矩 ， ｍ Ｎ・ ｍ；
Ｐ 为 决定 轴 承摩 擦力 矩 的计算 载荷 ， ． Ｎ
轴 承 中 径 ｄ （ ｍ） ｍ 为
矗 ： ，
１ ）主轴 密 封 要 求 比一 般 电 主轴 要 求 更 高 ．因
收 稿 日期 ： ０ ９—０ 一ｌ ２０ ９ ４ 作 者 简 介 ：王 娟 ， ， 士 研究 生 ， 究 方 向 为 高速 木 工 机 械 电 主轴 空 载 热 平衡 问题 ； 女 硕 研
汤晓华 ， ， 授 ， 男 教 主要 从 事 机 电 一 体化 及 视 频 检 测 技术 方 面 的 研 究 ．通 讯 作者
— —
荷大小 及 轴承 转速 有关 的摩 擦 力 矩 分量 ．在 滚 动轴
高速电主轴轴承温度预测与温升影响因素分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂｅ ａ ｉｎ ｒ ｇ ｓ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｍｏ ｕ ｎ ｔ ｏ ｆ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｈ ｅ ａ ｔ ｗ ｈ ｅ ｎ ａ ｈ ｉ 【 ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ — ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｒ ｕ ｎ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
ＬＩ ＡＯ Ｍｉ ｎ ，Ｗ ＡＮＧ Ｘｉ ｎ — ｘ ｉ ｎ
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＭｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｘ ｉ ｈ ｕ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ ０ ０ ３ ９ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
表 １ 各输 出参数误差绝对值累积和
网络累积误 差值可知 ， 所建立 的网络泛化能力强。 下面就利用该网络进行轴承温度预测。
２ ． ２ 主 轴轴 承温 度预 测
根 据所 构建 的 Ｂ Ｐ神 经 网络 ， 输 入 主 轴 转 速 和 环 境温 度 ， 对 各 个 测 试 点 输 出参 数 （ 温度 ） 进 行 预
Ｊ ａ ｎ ．２ ０１ ３ Biblioteka ・机 电 工程 ・
＿＿ ＿
同 速 电主轴 轴 承 温 度 预 测 — Ｉ Ｊ ／ ｒ 目 ｍ 升 影 响 因素 分 析
口
高速加工中心电主轴热态特性研究
［ ］ 王 铁 山 ， 波 ． 车 摩 擦 材 料 测 试 技 术 ［ ． 春 ： 林 科 １ 曲 汽 Ｍ］ 长 吉
学 技 术 出版 社 。 ０ ． ２ ５ ０
和 △ ，的 要 求 ， 且 飞 轮 数 量 比 较 合 适 。 而
４ 讨 论 与 结 论
限 于 笔 者 知 识 的 局 限 ，没 能 对 飞 轮 进 行 断 裂 力 学
构强度 满 足要求 。
２）飞 轮 爆 裂 的 临 界 转 速 为 ２ ５ ０ ｒｍｉ 。 ０ ／ ｎ
【 ］ 郭 振 字 ， 敏 ． 于 差 异 演 化 算 法 的 高 速 储 能 飞 轮 形 状 优 ５ 叶 基
化 设 计 ［］ Ｊ． 吉林 大学 学 报 （ 工学 版 ）２ ０ ，８ １ ：０ ８ ． ，０ ８３ （ ）８ — ３
度 和 价 格 能 量 密 度 。 但 优 化 为 工 字 型 飞 轮 会 增 加 飞 轮 的 轴 向 尺 寸 ， 而 加 大 台 架 长 度 方 向 的 尺 寸 。 用 车 间 从 占
空 间会加 大 。
现 采 用 等 差 等 比综 合 法 确 定 飞 轮 惯 量 ：等 比级 差
Ａ／ － ｇ・ ２ Ｉ ＝ ｇ・ ￣ ｏ ｋ ｍ２ １ ＝ ０ ｋｇ・ ２ ／＝２ － ｋ ｍ １ ５ ｋ ｍ２ Ｉ＝１ ｇ・ ３ ２ ２ ｍ ￣４ ０
高速电主轴热态性能分析
之 后 使 制 造技 术产 生 第 二 次革 命 性 飞 跃 的 一 项 高
新 技 术 。实 现 高速 加 工 的关 键是 要 有 高速 机床 ，
电 机 的 损 耗 一 般 分 为 ４类 ：机 械 损 耗 、 电 损 耗 、 磁 损 耗 和 附 加 损 耗 。前 三 类 损 耗 通 常 称 为 主 要 损
耗 。 附 加 损 耗 在 总 的 损 耗 中所 占 的 比例 很 小 ，约
为 额定 功率 的 １～ ５ ％ 。
２２ 轴承 的发 热 ．
０ 引言
以高 速 度 、高 精 度 、大 进 给 为 主 要 特 征 的 高
速 加 工 是 当 代 先进 制 造 技 术 之 一 ，是 继 数 控 技 术
定 扭矩 为 ６ Ｎ ４ ｍ。该 主 轴前 端 采 用 两 套 “ 背靠 背 ”
式 的 角 接 触 轴 承 ，在 主 轴 后 端 采 用 一深 沟球 轴 承
第３ 卷 第 １ ３ 期
２ １ － （ ） ［４ ］ ０ １ １ 上 １ １
Ｍ
＝
Ｍ
Ｍ
『 Ｉ
Ｏ
３４ 电主轴 前 、后密封 环 的对 流换 热 系数 ． 电主 轴前 、后密 封环气 隙 中有轴 向流动 的气
体 ，热交换 的情 况 比较 复 杂 。由于气隙很 小 （ 为 约
．
４
＝— ＝ ＿： 一
Ｈ
（） Ｊ； 为 决定轴 承摩擦 力矩 ｅ 的计算 载荷 。 ＋
＝
，
厂 、 ， 。
高速电主轴热态性能的分析
高速电主轴热态性能的分析陈玉球【摘要】重点阐述了电主轴热性能的计算必要性及其计算过程,通过对某电主轴热性能的计算和有限元仿真,得出了该电主轴的热载荷、温度场分布图,达到了对该电主轴进行热校核计算的目的,对于电主轴的热性能计算和热性能仿真分析具有一定的指导意义.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2019(032)004【总页数】3页(P30-32)【关键词】热载荷;校核;有限元【作者】陈玉球【作者单位】湖南有色金属职业技术学院,湖南株洲 412006【正文语种】中文【中图分类】TD4510 引言电主轴作为加工中心的关键设备之一，大多数采用内置式的电机，因此结构尺寸小，导致散热条件不良；并且高速运转诱发轴承摩擦加剧、发热量变大。
基于上述两个方面，电主轴温升大、热变形严重，导致加工质量降低[1]，所以分析电主轴的热态特性具有重要意义。
笔者针对电主轴的热性能分析进行了详细分析，包括热量的产生、热量的传递及不同位置的热载荷的大小都进行了分析和计算；针对某特定型号的电主轴进行了热性能的理论计算和热载荷仿真分析，以期望得到得到电主轴的温度分布图，识别热载荷较大的位置，为电主轴的热性能设计提供一定的指导作用。
1 高速电主轴热计算1.1 主要部件参数西门子公司的1FE1072-4WH，其主要参数为：额定功率：28.5 kW，最高转速:24 000 r/min，额定扭矩:28 N·m，额定转速:9 700 r/min，选择日本NSK公司的45BER10S作为前端轴承，N1008MRKR作为后端轴承，其最高速度在合适的润滑及散热条件下分别可达到31 500 r/min和25 000 r/min。
1.2 高速电主轴电机发热计算电机工作时定子产生约67%的热量，其余由转子产生。
取电机功率因素为0.85，电机损耗功率4.275 kW，则定子产生热量为2.85 kW，转子产生热量为1.43 kW。
1.3 高速电主轴轴承的发热分析与计算滚动阻力的存在使得轴承在工作过程中产生大量摩擦热。
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高速电主轴热态特性分析及温度预测研究
高速电主轴热态特性分析及温度预测研究
摘要：电主轴作为高速加工中最重要的工具之一，其热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。
本研究旨在分析高速电主轴的热态特性，并通过建立数学模型来预测其温度变化，从而提供优化加工参数和冷却系统设计的理论依据。
实验结果表明，在不同工况下，高速电主轴的温度分布存在明显差异，且会随着电主轴的运转时间和负载的变化而发生改变。
1. 引言
高速电主轴在现代生产中起着至关重要的作用，广泛应用于数控机床、电子制造和精密加工等领域。
电主轴的热态特性对加工质量和工具寿命有着重要影响。
因此，深入研究电主轴的热态特性，对于优化加工参数和提高加工质量具有重要意义。
2. 高速电主轴的热态特性分析
2.1 实验装置
为了分析高速电主轴的热态特性，我们搭建了实验装置。
该装置由电主轴、电机、冷却系统和温度传感器等组成。
实验时，我们对不同工况下的电主轴进行测试。
2.2 温度变化规律
通过实验数据的分析，我们发现高速电主轴的温度存在以下规律：
(1) 温度分布不均匀：电主轴的温度分布在不同部位存在明显差异。
通常来说，电主轴的轴承处温度较高，而电机部分温度较低。
(2) 运转时间对温度有影响：随着电主轴的运转时间的增加，其温度呈现出明显的升高趋势。
这是由于摩擦产生的热量在电
主轴内积累导致的。
(3) 负载对温度有影响：增加电主轴的负载会导致其温度上升。
这是因为负载的增加会带来更大的摩擦力，从而产生更多的热量。
3. 高速电主轴温度预测模型建立
为了准确预测高速电主轴的温度变化，我们建立了数学模型。
该模型基于热传导理论和质量守恒定律，并结合实验数据进行参数拟合。
通过该模型，我们可以预测不同运转时间和负载下电主轴的温度。
4. 实验验证和讨论
我们对建立的温度预测模型进行了实验验证。
实验结果表明，该模型能够准确预测电主轴的温度变化。
同时，我们还对模型中的参数进行了敏感性分析，结果表明模型对于不同参数的变化具有一定的稳定性。
5. 结论与展望
本研究分析了高速电主轴的热态特性，并建立了温度预测模型。
实验结果表明，高速电主轴的温度分布不均匀且受运转时间和负载的影响。
通过建立的模型，我们可以预测电主轴在不同工况下的温度。
这为优化加工参数和冷却系统设计提供了理论依据。
未来的研究可以进一步探究电主轴的热态特性对加工质量的影响，以及提出更加精确的温度预测模型。
综上所述，本研究通过分析高速电主轴的热态特性，建立了温度预测模型。
实验结果表明，电主轴的温度呈现出明显的升高趋势，运转时间和负载对温度有影响。
通过建立的模型，我们可以准确预测电主轴在不同工况下的温度。
这为优化加工参数和冷却系统设计提供了理论依据。
未来的研究可以进一步
探究电主轴的热态特性对加工质量的影响，并提出更加精确的温度预测模型。