基于熱管傳熱的液體靜壓電主軸熱態(tài)性能及相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，是將可用資源通過(guò)制造過(guò)程，轉(zhuǎn)化為可供人們使用或利用的工業(yè)品或生活消費(fèi)品的行業(yè)，制造業(yè)創(chuàng)造的財(cái)富占人類社會(huì)財(cái)富的60～80％。制造業(yè)經(jīng)歷了手工制作、機(jī)械加工的發(fā)展過(guò)程，生產(chǎn)效率得到極大的提高；目前數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)等先進(jìn)加工技術(shù)的應(yīng)用，解決自動(dòng)換刀、自動(dòng)拆卸零件和縮短輔助時(shí)間的問題，使得產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都得到提升，使企業(yè)獲得顯著效益。在本質(zhì)上，上述這些技術(shù)的應(yīng)用只是加快空程動(dòng)作的速度、

2、提高零件生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，從而縮短輔助時(shí)間，目前輔助時(shí)間的縮短已經(jīng)達(dá)到一個(gè)極限，只有降低單個(gè)零件的機(jī)械加工時(shí)間，才能在提高生產(chǎn)效率方面得到一個(gè)飛躍，提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)高速加工是唯一的途徑。
　　電主軸是主軸電機(jī)一體化的單元，是高速加工的最佳選擇。它采用無(wú)外殼電機(jī)，將帶有冷卻套的電機(jī)定子裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子和機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)部分做成一體，主軸的變速范圍完全由變頻交流電機(jī)控制，使變頻電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合為一體。電主軸是融

3、合多種技術(shù)的組件，和國(guó)外電主軸產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)的電主軸在功率、轉(zhuǎn)速、壽命等綜合性能方面，還有較大的差距。熱態(tài)性能設(shè)計(jì)是電主軸的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，傳統(tǒng)冷卻設(shè)計(jì)主要采用空氣和水冷卻，散熱效果取決于冷卻通道的面積和流速，且冷卻通道的加工、密封、裝配增加了電主軸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。熱管是依靠?jī)?nèi)部工作液相變實(shí)現(xiàn)傳熱的元件，具有很高的導(dǎo)熱性及優(yōu)良的等溫性，基于熱管高效傳熱的特性，本文對(duì)基于熱管的電主軸熱態(tài)性能進(jìn)行了深入研究。
　　確立液體靜壓軸承為支撐結(jié)

4、構(gòu)，設(shè)計(jì)了液體靜壓的電主軸，主要是考慮到液體靜壓軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦功率較大，發(fā)熱問題比較突出，其熱態(tài)性能研究具有代表意義?？紤]電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的特性，其設(shè)計(jì)應(yīng)包含主軸靜動(dòng)態(tài)、諧響應(yīng)分析，以及熱態(tài)性能設(shè)計(jì)。
　　液體靜壓電主軸熱態(tài)數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行熱態(tài)性能研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從熱源和散熱方式兩方面對(duì)電主軸進(jìn)行系統(tǒng)地分析，得出電機(jī)和軸承發(fā)熱是主要熱源，散熱主要在電主軸殼體表面、冷卻通道的強(qiáng)制散熱、靜壓軸承散熱等方式，得出其表達(dá)式，建立了體靜壓

5、電主軸熱態(tài)數(shù)學(xué)模型。
　　針對(duì)熱管的傳熱，提出以熱管的幾何特征、熱管材料和吸液芯結(jié)構(gòu)、傳熱能力、散熱能力為熱管性能參數(shù)。針對(duì)熱管應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)熱變形分析無(wú)法計(jì)算的問題，提出熱管等效熱導(dǎo)率模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果證明了等效熱導(dǎo)率模型的正確性；熱管是傳熱元件，其傳熱效果依賴于冷卻段的散熱能力，針對(duì)翹片的強(qiáng)化傳熱，建立了翹片傳熱效率模型，通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證，證實(shí)了傳熱效率模型的正確性。
　　最后針對(duì)電主軸熱態(tài)性能分析，

6、提出以靜壓軸承的平均溫度、電機(jī)的最高溫度、主軸前端面的熱變形和進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間為熱態(tài)性能評(píng)價(jià)參數(shù)，比較不同的冷卻方式，從空氣冷卻-潤(rùn)滑油冷卻-水冷卻可以較好的降低電主軸溫度，減小進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。設(shè)計(jì)了熱管傳熱的液體靜壓電主軸，分析表明空氣冷卻下，便可以實(shí)現(xiàn)水流通過(guò)電主軸冷卻通道的效果，同樣降低了靜壓軸承表面平均溫度、電機(jī)最高溫度，減小進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間和主軸前端面的熱變形，改善了電主軸的熱態(tài)性能。通過(guò)熱管傳熱的加熱器試驗(yàn)對(duì)此