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高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴热特性分析

刘富康  
【摘要】:水润滑轴承电主轴具有回转精度高、寿命长、热稳定性好等突出的优势,是高速电主轴领域的研究热点之一。然而水润滑静压轴承电主轴依赖于昂贵的高压供水设备,严重制约了该类电主轴在机床领域的工程应用。鉴于此,本文提出了一种采用水润滑动压螺旋槽轴承支承的新型电主轴;然而,本电主轴热源较多,热量产生、传递与耗散机制复杂,加之在高速工况下水润滑动压螺旋槽轴承发热效应明显,对电主轴热特性的影响不容忽视。因此对本电主轴在高速工况下进行热特性建模与分析具有科学意义与工程价值。本文的具体工作内容如下:(1)高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴结构与热分析模型的建立:分析所提出电主轴及其关键部件的结构特点;基于传热学理论,分析电主轴内部热量的产生、传递与耗散机制,建立能量流动模型;建立电主轴的三维模型,运用有限元方法建立电主轴的热分析模型;(2)高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴的发热功率分析、散热边界条件分析:基于流体动压润滑理论,建立水润滑动压螺旋槽径向轴承、推力轴承的发热功率模型,运用有限差分法分别计算各轴承的发热功率和端泄流量,基于绝热假设计算出水口温升;基于功率流动模型,求解了电机发热功率;基于传热学理论,计算电主轴系统各散热边界条件;(3)高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴的稳态热特性分析:运用有限元方法开展电主轴的稳态热特性计算,研究电主轴温度场与变形场分布规律;研究热源因素对电主轴热特性的影响。研究结果表明:在高速工况下,水润滑动压螺旋槽轴承温升水平较低,所提出的高速水润滑动压螺旋槽轴承电主轴具有结构简单、热特性较好的优点,可望用于高速精密机床行业;所建立的热分析模型能够简便可行地获得新型电主轴的温度分布与热变形分布,为此类电主轴的热特性分析提供了有效的方法;对于本文研究的电主轴,水润滑动压螺旋槽轴承的温升显著小于电机转子处温升,因此电机是影响电主轴热特性的主要因素,基于分析结果给出了改善本电主轴热特性的措施:选用更高效率电机、适当增加轴承供水压力、采用转子内冷却技术。


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