高速电主轴热结构耦合分析

高 震 齐向阳 丁 超 常 雷

(天津工业大学 机械工程学院 天津 300387)

一、仿真流程

首先根据高速电主轴中所选用的轴承参数以及规定的转速和确定的预紧力来计算出轴承生热，然后根据冷却条件计算出相应的对流换热系数，再通过ansys进行所划分的第一个时间步的仿真。根据得到的温度再进行相应的结构变形场仿真，在变形场中得到需要的重要数据，更新一些重要参数，重新进行下一时间步的仿真，直到最后达到稳定状态。

二、高速电主轴边界条件计算

轴承的生热计算[1]，电机的生热计算[2]，空气的对流换热系数[3]，接触热阻的计算[4]计算不再赘述，轴承和电机的参数如表1所示。

表1 具体参数

冷却液对流换热系数可借由仿真得到。由于流道位置的情况很复杂，通过理论的计算很难得到准确的数值，因此利用有限元仿真，提取表面的关键数值可以得到比较准确的对流换热系数，再将系数导入到瞬态热仿真。

三、仿真过程

(一)瞬态温度场和结构场仿真

瞬态温度模块与接触热阻相关的条件是热传导系数，因此需要进行转化，计算公式[4]如下所示：

Tr——热传导系数；

A——滚动环与轴承内圈接触面积，s。

将相应的条件加载到瞬态温度场模块中进行第一个时间步的温度仿真。

(二)采集重要参数

1.轴承内外圈的受热改变量

首先对径向改变进行采集，将轴承内圈外表面以及轴承外圈内表面相对于初始状态发生的变形量进行采集，在采集了每一个节点的数据的基础进行求平均值操作，将结果作为轴承内外圈的径向变形。然后对轴向位移进行采集，由于轴承在运动过程中，沿轴向方向也会发生变形，因此记录下轴承内外圈两个端面相对于轴向方向发生的变形，然后进行求平均值作为轴向位移情况.

2.滚动体热膨胀

滚动体热膨胀的情况可以根据滚动体表面的温度情况进行计算。先对滚动体的表面进行温度提取，将提取的数据进行求平均值，然后结合滚动体膨胀公式[5]就可以得到需要的结果

(三)参数处理

轴承内外圈的轴向位移和径向变形主要影响了轴承的接触角，进而改变轴承载荷来改变轴承的生热，借助轴承动力学模型[8]来进行处理：

该模型缺少了对轴承在受热变形条件下的分析，由于轴承受热变形主要影响了球内圈沟道曲率中心与外圈沟道曲率中心之间的轴向距离和径向距离，因此需要将热变形和热位移的情况加入进去。最后计算出变化的轴承接触角以及轴承载荷。

根据计算结果更新轴承载荷情况，然后重新计算轴承生热。

接下来考虑预紧力的情况，本次仿真所用主轴轴承的安装方式为定位预紧，根据前面所采集的数据进行预紧力的更新，并将更新的预紧力重新加载到下一个时间步的仿真，直到最后达到平衡。

(四)对比与分析

首先针对主轴内部温度情况，在前后轴承以及电机定转子的同一轴向位置放置温度探针，将过程中温升的变化情况进行采集

最后可得由于定子的位置更靠近冷却液，冷却液的强制对流换热能力比较强，因此它的温度在稳定状态下是小于转子的，这就说明了冷却液对于主轴散热的重要作用。

在前轴承的外圈位置放置温度探针，两种仿真方式进行对比，可以发现，两种仿真方式的结果趋势上是基本相同的，最后的温度值有一定差距，但相差不大。前期曲线趋势上升很快主要是因为热传导的过程不是一蹴而就的，需要一定时间。由于时间步设置了比较长的时间，因此在传热刚刚开始的时候轴承生热等一些重要数据没有及时更新，因此前期的温度曲线在传统仿真上。

考虑预紧力的情况，传统仿真的方式是在初始条件设置好的前提下进行仿真，直到得到最后的结果，因此预紧力的加载一直是一个定值。而热结构耦合仿真是通过不断更新预紧力的方式进行仿真，预紧力在过程中是不断变小的。

四、结语

(1)通过对最终的仿真结果进行分析可以发现，高速电主轴的内部是一个温度分布极不均的情况。由于冷却液是从前轴承左侧流入到达右侧的时候温度是高于入口的，因此前轴承右侧的温度是比较高的。分析表明，仿真结果基本符合现实;

(2)主轴的前后轴承以及定转子的温度对比表明，在主轴的运转过程中，冷却液的强制对流换热是主轴散热的主要方式，也是最有效的方式。要减小主轴的温升可以适当加大冷却液的流量或者降低冷却液的入口温度;

(3)通过对结果温度进行比较可以看出，这种仿真方式在结果上与传统的很接近，相差了3℃，证明是可行的。而预紧力的情况表明，这种仿真方式要更加接近现实的工况条件下的主轴状态。