高速主轴温升影响因素实验研究*

张丽秀，李超群，李金鹏

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院，沈阳　100168；2.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室，沈阳　100168)

高速主轴温升影响因素实验研究*

张丽秀1,2，李超群1,2，李金鹏1,2

(1.沈阳建筑大学 机械工程学院，沈阳100168；2.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室，沈阳100168)

摘要：温升是影响电主轴工作性能的一个重要指标，为了研究水冷系统和油气润滑系统各参数对高速电主轴温升的综合影响，找出最佳工况参数。采用单一因素实验法和正交实验法，利用水冷系统和油气润滑系统实验平台，对不同转速下，不同工况对主轴轴承某点温升的影响进行实验分析。结果表明，冷却水流量为0.35m3/h～0.38m3/h，冷却水温度为17℃，空气压力为0.36MPa～0.39MPa，供油间隔为1min～2min时主轴温升最小。

关键词：电主轴；油气润滑系统；单一因素实验法；正交实验法

0引言

作为高速数控机床的核心部件，电主轴的性能极大的影响着机床的加工精度，其中，温升稳定性是决定电主轴性能最为重要的指标之一[1-2]。电主轴温升主要来源于电机损耗和轴承摩擦损耗，而电主轴单元的主要冷却形式是水冷系统对定子的冷却和油气润滑系统对轴承和转子的冷却。因此，选取合适的冷却水参数和油气润滑参数就显得尤为重要。

近年来，国内外学者对水冷系统和油气润滑系统的各项影响因素的研究做了很多努力。陈文华等运用有限元分析软件对在不同工况、环境温度、冷却水等条件下的螺旋型水套进行了分析认为适当的冷却水流速对主轴电机的温升有很好的控制作用[3]。Jeng等测试并比较了不同工况下混合陶瓷球轴承与钢质球轴承油气润滑时的温升情况，考虑了载荷、转速、供油量以及气体流速等及供油参数和运行参数对钢质轴承温升的影响[4-5]。李松生等通过改变供油量、转速、轴向载荷等参数进行试验研究，结果表明转速和供油量是影响轴承温升的主要因素[6-7]。

以上研究大都单独考虑水冷系统参数和油气润滑系统参数对电主轴温升的影响，没有将两者的影响综合考虑。本文以170SD30-SY型电主轴为研究对象，利用自制水冷系统和油气润滑系统实验平台，综合水冷系统和油气润滑系统各参数对不同转速电主轴温度场的影响，将单一因素实验和正交实验得出的各组实验数据对比得出使主轴温升最小的实验参数。

1实验系统

1.1实验参数

在既定电主轴温升实验条件下，主轴的温升控制主要取决于水冷系统和油气润滑系统的各项影响参数。其中，循环冷却水流经水套，带走定子损耗产生的部分热量，因此冷却水流量和冷却水流速是水冷系统实现对定子温升控制的重要参数[8]；压缩空气途经润滑油箱携带少量润滑油经过轴承和定转子间隙，润滑油附着在轴承表面对轴承起润滑作用，同时高速低温的压缩空气带走部分轴承和转子损耗产生的热量，所以油气润滑系统中的空气压力和供油周期也对主轴轴承和转子的温升控制起着重要作用[9]。图1为冷却系统和油气润滑系统对电主轴温升影响分布图。

1.油气润滑系统影响 2.水冷系统影响 3.油气润滑系统影响 4.油气润滑系统影响

图1冷却系统和油气润滑系统对电主轴温升影响分布图

根据实际工况，在一定电机损耗、冷却水道、单次供油量及通水通油管径等条件下，采用单一因素实验法对不同转速下冷却水流量、冷却水温度、压缩空气压力和供油间隔对电主轴温升的影响进行实验。并在此基础上，采用正交实验法寻求不同转速下的最佳参数值[10]。表1为实验参数及水平，实验中冷却水为蒸馏水，水管内径为5mm；润滑油为20号机械油，水平油管内径为5mm，单次供油量约为12.33mm3/min。

表1　实验参数及水平

1.2实验系统设计

根据对影响电主轴温升的冷却润滑参数的分析，搭建电主轴水冷系统和油气润滑系统温升测试平台，通过改变水冷系统和油气润滑系统各项参数，测试其对电主轴温升的影响。图2为电主轴温升测试实验装置。

图2　电主轴温升测试实验装置

图3　实验系统控制框图

图3为实验系统控制框图。工控机通过变频器调控被测电主轴的转速，转速仪将采集的转速信号反馈给工控机，实现二次调控的作用；在油气润滑系统中，空压机将空气压缩到一定压力后，再经空气干燥机将湿润的压缩空气进行干燥处理，干燥的空气经过冷压机制冷后，将高温的压缩空气温度调至18℃；通过压力控制装置将压力调至实验所需值，同时也可通过流量控制阀调节压缩空气压力，高速的压缩空气携带微量润滑油喷至轴承表面，压缩空气通过定转子间隙从出气口喷出；水冷系统中，循环冷却水通过流量控制阀将冷却水流量调至实验所需值，同时温度控制器调控冷却水温度，高速低温的冷却水在定子表面的水套中循环；与此同时，工控机将接收到润滑系统和水冷系统的反馈信号，以便进行调控。为了检测不同参数对主轴温度场分布的影响，分别在电主轴前后轴承位置及两轴承跨距中间位置布置热电偶，并将实时监控的电主轴表面各测试点温度反馈给工控机。

1.3实验方案

根据正交实验原理，采用L16(45)正交实验设计，考察冷却水流量、冷却水温度、压缩空气压力和供油间隔对电主轴温升的影响。由实验装置所提供的范围，实验参数取值如表1所示，制定出所如表2所示的16组实验安排。

表2　L16(45)正交实验设计

2实验结果与分析

2.1采用单一因素实验法分析各参数对主轴温升的影响

设置电主轴转速为10000r/min，在冷却水温度为17℃，进气压力为0.36MPa，供油时间间隔为2min时，分别对冷却水流量q为0.32m3/h、0.35m3/h、0.38m3/h、0.41m3/h时的主轴温升进行测量；在冷却水流量为0.32m3/h，进气压力为0.36MPa，供油时间间隔为2min时，分别对冷却水温度T水为12℃、15℃、17℃、19℃时的主轴温升进行测量；在冷却水流量为0.32m3/h，冷却水温度为17℃，供油时间间隔为2min时，分别对进气压力P为0.30MPa、0.33MPa、0.36MPa、0.39MPa时的主轴温升进行测量；在冷却水流量为0.32m3/h，冷却水温度为17℃，进气压力为0.36MPa时，分别对供油时间间隔t′为1min、2min、3min、4min时的主轴温升进行测量。

图4　不同参数对电主轴表面后轴承位置温度影响

分别对比图4所示的电主轴表面后轴承位置某点温升各组实验数据可得，在既定工况下，冷却水流量小不能有效吸收转子产生的热量，流量过大水流速也越大，但高速循环水流过水套时，也来不及将热量带走，实验数据对比得冷却水流量q=0.35m3/h时对主轴温升最小；根据热量计算公式Q=c·m·(T-T水)，冷却水温度越低吸收的热量越多，实验数据得出的冷却水温度T水=12℃时温升最小与理论一致；当压缩空气进气压力小时，空气流速也小，轴承产生的热量不能有效被空气吸收带走，当进气压力大时，高压的空气会加大轴承内部及轴承与主轴间的摩擦，产生更多的热量，实验数据对比得进气压力P=0.36MPa时轴承温升较小；润滑油适量的情况下可以较好地形成油膜，保证轴承润滑，过少时形成油膜的能力会下降导致滚子与套圈间直接的接触，因此温度会升高，相反如果润滑油过多，轴承运行中产生的热量因为润滑油的包裹无法散发，温度也会相应升高，这与实验数据对比得出的供油时间间隔t′=2min时的电主轴表面后轴承位置某点温升最低相一致。

2.2采用正交实验法分析各参数对主轴温升影响

按照正交实验表2中不同参数设计的实验方案进行实验，选取主轴转速为10000r/min时的第2号、第7号、第9号及第16号实验数据对比及主轴转速为15000r/min时的第4号、第5号、第11号及第14号实验数据对比。

从图5并结合正交实验表2可以看出第7组实验温度温升最小，即适合n=10000r/min的工况参数为冷却水流量q=0.35m3/h、冷却水温度T水=15℃、空气压力P=0.39MPa、供油周期t′=1min；第11组实验温度温升最小，即适合n=15000r/min

的工况参数为冷却水流量q=0.38m3/h、冷却水温度为T水=17℃、空气压力P=0.36MPa、供油周期t′=2min。

图5　不同转速下电主轴表面后轴承位置温度随工况变化

3结论

本文通过单一因素法研究了电主轴系统冷却水流量、冷却水温度、润滑油供油间隔时间及空气压力等四个参数对电主轴温度的影响；通过正交实验法获得了上述四个参数使电主轴温升最低的最优值。实验结论如下：①电主轴系统冷却水流量、冷却水温度、润滑油

供油间隔时间及空气压力对电主轴温度的均有不同程度的影响，电主轴工作时选择最优工况参数可使温升降低。②在电主轴的工作转速范围内，保证主轴温升最小的工况参数是冷却水流量为0.35m3/s～0.38m3/h，冷却水温度为17℃左右，空气压力为0.36MPa～0.39MPa，供油间隔为1min～2min。

[参考文献]

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[3] 陈文华，贺青川,何强,等.高速电主轴水冷系统三维仿真与实验分析[J].中国机械工程，2010，21(5)：550-555.

[4] Jeng Y R,Huan P Y.Temperature rise of hybrid ceramic and steel ball bearings with oil-mist lubrication management[J].Lubr.Eng.,2000,56(12):18-23.

[5] Jeng Y R,Gao C C.Investigation of the ball-bearing temperature rise under an oil-air lubrication system[J].Pro.Inst.Mech.Eng.Part J:J.Eng Tribol, 2001,215(2):139-148.

[6] 李松生，周鹏，黄晓,等.基于油气润滑的超高转速电主轴轴承润滑性能的试验研究[J].润滑与密封，2011，36(10)：25-40.

[7] 李松生，刘苏亚，李中行.高速主轴轴承油气润滑的应用试验[J].润滑与密封，1996(3):26-28.

[8] 张丽秀，刘腾，李超群.冷却水流速对电主轴电机温升的影响分析[J].组合机床与自动化加工技术，2015(8):36-42.

[9] 闫树田，许庆鹏，张树银.高速电主轴冷却系统设计与研究[J].机电一体技术，2012(3):44-46.

[10] 孙启国，周正辉，王跃飞.油气润滑系统特性参数正交实验研究[J].北方工业大学学报，2015，27(1):30-41.

(编辑赵蓉)

The Experimental Research on The Influence Factors of High Speed Spindle Temperature Rise

ZHANG Li-xiu1,2,LI Chao-qun1,2,LI Jin-peng1,2

(1.School of Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China;2.Nationai-Local Jiont Engineering Laboratory of NC Machining Equipment and Technology of High-Grade Stone,Shenyang 110168,China)

Abstract：Temperature rise is an important indicator of the working performance of the motorized spind-le.In order to study the effects of different parameters of water cooling system and oil and gas lubrication system on the temperature rise of high speed motorized spindle,and to find the optimal working conditions of the system.By the Single factor experiment and the orthogonal experiment method,take advantage of the water-cooling system and the oil-lubrication system experimental platform,at different speeds,to analyze the affect on the temperature rise of spindle bearing under different cooling water flow rate,c-ooling water temperature,air pressure and oil supply interval.The experiment results shown that the temperature rise was minimal when the cooling water flow rate was 0.35m3/h～0.38m3/h,the cooling water te-mperature was 17℃,the air pressure was 0.36 MPa ～ 0.39 MPa,the oil supply intervals was 1 min～2 min.

Key words：motorized spindle;the oil-gas cooling lubrication system;the single factor experiment method;the orthogonal experiment method

文章编号：1001-2265(2016)06-0075-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.019

收稿日期：2015-12-03；2015-12-28

*基金项目：国家自然科学基金(51375317)；辽宁省自然科学基金(2015020122)；国家(地方)联合工程实验室开放基金(SJSC-2015-6)

作者简介：张丽秀(1970—)，女，沈阳人，沈阳建筑大学教授，博士，硕士研究生导师，研究方向为电主轴单元关键技术及机电一体化，(E-mail)851617088@qq.com；通讯作者：李超群(1989—)，女，河南商丘人，沈阳建筑大学硕士研究生，研究生方向为数控机床关键技术，(E-mail)734500010@qq.com。

中图分类号：TH166;TG506

文献标识码：A