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车削中心用电主轴热态特性的有限元分析

机械设计与制造 2010年第12期 30-32页

作者：胡赤兵于静刘延川兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州730050 兰州理工大学机电学院兰州730050

通过分析车削中心用电主轴的各种热源和散热机制,在Solidwoks平台下建立电主轴的有限元分析模型,对电主轴进行稳态、瞬态和热位移的分析,得到电主轴的温度场变化情况,并针对分析的结果,提出了改善电主轴热态特性的措施。

关键词：车削中心电主轴热态特性有限元分析模型 center 变化情况温度场热位移热机制稳态瞬态热源平台结果

基于LabVIEW的压缩机热态特性测试系统设计

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实验技术与管理 2018年第12期35卷 161-164页

作者：王增丽李凤迪王皓李强冯全科中国石油大学(华东)化学工程学院青岛266580 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049

为培养学生工程实践能力和自主创新意识,以大学生创新创业训练计划为平台,设计了压缩机热态特性测试系统。该系统通过配置电加热系统和增压系统,实现了压缩机负载状态相对运动部件工作特性的测试,并在LabVIEW中利用NI-DAQmx数据采集模... 详细信息

为培养学生工程实践能力和自主创新意识,以大学生创新创业训练计划为平台,设计了压缩机热态特性测试系统。该系统通过配置电加热系统和增压系统,实现了压缩机负载状态相对运动部件工作特性的测试,并在LabVIEW中利用NI-DAQmx数据采集模块实现了测试数据的采集、存储、修正处理及波形显示。该实验系统具有模块化程度高、界面直观、开放性和可扩展性较好的特点,还可用于学生进行创新性实验。

关键词：压缩机测试系统热态特性 LabVIEW

高速干切滚刀主轴系统动热态特性分析与试验研究

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高速干切滚刀主轴系统动热态特性分析与试验研究

作者：雷涛重庆大学

学位级别：硕士

可持续发展对于建设制造强国尤为重要,加强绿色环保先进技术、工艺与装备的研发与推广,是加快中国制造业绿色改造升级,实现可持续发展的必由之路。目前,我国齿轮的主要加工方式还是湿式滚切工艺,需要大量使用切削油液,造成车间的环境污... 详细信息

可持续发展对于建设制造强国尤为重要,加强绿色环保先进技术、工艺与装备的研发与推广,是加快中国制造业绿色改造升级,实现可持续发展的必由之路。目前,我国齿轮的主要加工方式还是湿式滚切工艺,需要大量使用切削油液,造成车间的环境污染和影响工人的职业健康。然而高速干切滚齿完全消除了切削油液的使用,并且成倍地提高了滚齿加工效率,实现了绿色高效生产,是滚齿加工工艺的发展方向。由于没有切削油液的冷却、润滑作用,加上主轴转速大且加工参数变化范围广的特性,直接影响着高速干切滚刀主轴系统的动热态特性,进而影响着机床的工作稳定性、滚齿加工精度和刀具使用寿命等。鉴于此,本文在国家自然科学基金项目(编号:51475058)等的资助下,对高速干切滚刀主轴系统的动热态特性进行了理论分析,并进行了系统动热态特性的有限元仿真分析与优化,开展了一系列实验,验证了分析的可靠性,可以为高速干切滚刀主轴系统结构优化、工艺改进和参数优化提供有效支撑。首先,基于振动分析理论建立了高速干切滚刀主轴系统的模态分析模型和振动响应分析模型;主要从热传导和对流换热对滚刀主轴系统的传热机理进行了分析,并提出了高速干切滚刀主轴系统的热结构耦合模型;基于上述分析,为高速干切滚刀主轴系统的动热态特性分析提供了理论基础。其次,采用数值仿真的方法计算得到滚切力并结合相应的实验,对滚刀主轴系统的力载荷特性进行了分析;基于ANSYS Workbench平台建立了滚刀主轴系统的有限元模型并进行模态分析,得到了各阶固有频率和振型;采用分频段的振动谐响应分析方法,进行了多参数混合影响的切削载荷作用下滚刀主轴系统振动响应分析;从轴承刚度及阻尼、加工参数选择方面对滚刀主轴系统进行了动态优化。然后,重点从高速角接触球轴承发热和高速干切削过程发热对滚刀主轴系统的热载荷特性进行了分析;根据传热机制,对滚刀主轴系统的传热和散热进行了分析,并确定了热边界条件;建立了滚刀主轴系统的热分析有限元模型,得到了滚刀主轴系统在给定加工参数条件下的热分布及热结构耦合结果;从主轴转速变化、压缩空气的流量及温度方面对滚刀主轴系统进行了热态优化。最后,开发了相应的实验平台并开展了高速干切滚刀主轴系统的性能测试实验,包括:1)主轴敲击模态测试实验;2)不同加工参数组合下的加工过程振动响应测试;3)加工过程关键零部件温升测试。试验结果验证了仿真分析的可靠性。

关键词：高速干切滚刀主轴系统动态特性热态特性

大型球磨机动静压轴承热态特性及承载能力分析

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大型球磨机动静压轴承热态特性及承载能力分析

作者：杜传江东北大学

学位级别：硕士

球磨机本身作为一种重型机械,被广泛地应用于冶金、化工、建材、煤炭等行业。滑动轴承作为球磨机主要的使用方式,不仅支撑着整个筒体的重量,还要承受着物料及磨球本身对筒体产生的冲击载荷。在实际生产过程中,人们经常遇到滑动轴承被烧... 详细信息

球磨机本身作为一种重型机械,被广泛地应用于冶金、化工、建材、煤炭等行业。滑动轴承作为球磨机主要的使用方式,不仅支撑着整个筒体的重量,还要承受着物料及磨球本身对筒体产生的冲击载荷。在实际生产过程中,人们经常遇到滑动轴承被烧坏的状况,一旦出现轴瓦损坏或损伤,因修复时期长,严重影响生产效率。由滑动轴承失效而引起的球磨机故障经常发生,因此对滑动轴承油膜温度的研究有着很重要的意义。液体动静压滑动轴承在正常工作时,由于润滑油具有粘性,使得润滑油的温度升高。随着润滑油的温度升高,导致粘度的下降,从而影响油膜的承载能力,严重时就会导致轴承失效。而传到轴承上的热量会使轴承产生变形,而产生影响最大的是轴承的温度分布,如果温度分布均匀,温差不大,则轴承的局部变形会相对减小。基于此,本文概述了球磨机及其常用轴承,分析了恒流量供油方式和恒压力供油方式的不同和各自特点,并对恒流量供油方式的油膜刚度和承载力做了一定的理论推导。在理论上,还对基本的传热方式、粘温关系、温升的能量方程、雷诺方程及分析使用的边界条件做了一定的阐述。在理论分析的基础上,本文利用计算机流体仿真软件FLUENT进行数值模拟,建立油膜的有限元模型,对不同转速下的油膜温度分布做了分析,并在考虑油膜粘温特性的情况下,分析油膜承载力的特点及其变化特征。本文还利用流固耦合传热的方法,建立的油膜与轴承的耦合模型,用来模拟油膜中所产生的热量向轴承传递的状况,论文的研究工作对球磨机动静压轴承的设计及应用有着工程实际意义。

关键词：球磨机液体动静压轴承温度热态特性承载能力

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液体静压主轴热态特性研究与优化

液体静压主轴热态特性研究与优化

作者：尹承真中国工程物理研究院

学位级别：硕士

微纳米压印辊筒是制造多种精密光学功能薄膜的核心部件,而金刚石切削是实现辊筒超精密制造的最有效的方式。液体静压主轴是超精密单点金刚石切削机床的重要组成部件,具有高刚度、高回转精度、高抗振性、高阻尼以及长寿命等优点。主轴的... 详细信息

微纳米压印辊筒是制造多种精密光学功能薄膜的核心部件,而金刚石切削是实现辊筒超精密制造的最有效的方式。液体静压主轴是超精密单点金刚石切削机床的重要组成部件,具有高刚度、高回转精度、高抗振性、高阻尼以及长寿命等优点。主轴的热态特性是指主轴因热效应而产生的性能变化,包括热变形与承载能力的变化等。液体静压主轴在工作过程中,由于内置电机的和轴承油膜的发热,会导致系统整体温度升高,且分布不均匀,产生应力集中和变形,从而导致加工误差。对于超精密机床,热态特性是影响其加工性能的重要影响因素,研究其热态特性对提高加工质量与加工精度具有重要的意义。本文的研究对象是一超精密卧式辊筒金刚石车床的液体静压主轴。为了研究其热态特性,首先依据主轴的工作原理,基于流体连续性假设建立了主轴的热态特性理论模型。理论模型包括主轴的生热模型、承载模型与有限元理论。通过该模型可以研究主轴的生热机理,辨识影响主轴热态特性的关键因素,分析不同因素对主轴热态特性的影响规律,并计算有限元仿真所需的初始条件与边界条件,为有限元数值仿真夯实了基础。在明确主轴系统热边界条件的情形下,基于ANSYS Workbench与Fluent平台的数据交换进行了单向“流-热-固”多物理场耦合数值仿真。首先计算径向轴承与止推轴承的压力场和温度场分布,将其结果作为边界条件导入主轴固体系统,进而计算主轴系统的温度场以及产生的热变形场,从而建立起一套完整的主轴系统热态特性的有限元分析模型。利用该模型分析了主轴系统工作至稳态时的温度场与产生的热变形,并研究了温升对主轴承载特性的影响规律。在数值仿真的基础上,设计并进行了实验,对数值仿真结果的正确性与准确性进行了验证。进行了温度测量实验,测量了主轴工作至稳态下不同温度测点产生的实际温升,与仿真结果相比,平均误差10.5%,最小误差0.3%,最大误差17.5%,验证了主轴系统温度场的仿真结果;进行了位移测量实验,测量了工作至稳态下主轴的轴向伸长量,与仿真结果相比误差为2.5%,验证了主轴系统热变形场仿真结果;进行了主轴起伏量实验,验证了主轴承载能力随温升的变化规律,与数值仿真结果趋势吻合。利用建立的理论模型与有限元数值仿真模型对主轴进行了热态特性结构优化,设计了一套完整的优化设计流程,对影响主轴热态特性的主要结构参数进行了优化设计,使得主轴整体发热量减少了约30%,主轴径向刚度提升2.38倍。同时基于优化后的主轴参数进行了重新建模,优化了主轴外观与尺寸结构。

关键词：液体静压主轴 “流-热-固”耦合热态特性有限元计算流体力学

扁平型永磁直线同步电机进给系统热态特性的研究

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扁平型永磁直线同步电机进给系统热态特性的研究

作者：牟晓杰浙江大学

学位级别：硕士

传统的进给系统越来越不能满足高速、高精密机械加工的要求,而永磁直线同步电机以高速度、高精密、大推力、快响应等优异的特点,在数控机床设备中得到了越来越广泛的应用。本文结合浙江省重点科技创新团队建设项目“高档数控机床及其关... 详细信息

传统的进给系统越来越不能满足高速、高精密机械加工的要求,而永磁直线同步电机以高速度、高精密、大推力、快响应等优异的特点,在数控机床设备中得到了越来越广泛的应用。本文结合浙江省重点科技创新团队建设项目“高档数控机床及其关键技术”（No.2009R50008）的研究任务,通过对直线电机受力特性、发热以及散热特点等关键技术的研究,建立了扁平型永磁直线同步电机温度场的三维计算模型,并完成了直线电机热态特性的实验研究。本文首先详细介绍了国内外直线电机进给系统以及热态特性的研究现状和发展趋势,阐述本课题的背景和意义,提出论文的主要研究内容。论文详细阐述了永磁直线同步电机矢量变换规律,并推导了永磁直线同步电机d-q模型及推力公式,然后介绍了磨削力的基本理论。在此基础上,针对两种不同工况分别对直线电机进给系统进行了动力学分析,进而计算出了电机的平均有效电流。随后介绍了电机热交换的相关理论,为电机温度场的计算提供理论依据。论文以建立扁平型直线电机温度场的三维计算模型为核心研究内容,并重点论述了建立模型、确定生热率和边界条件等过程。然后采用ANSYS有限元分析软件对电机运行时温度场进行仿真分析,仿真结果表明空载工况下直线电机的温升是有限的,磨削工况下直线电机温升较高。最后,对空载工况下直线电机的热态特性进行了实验研究,实验验证了理论模型的正确性。在磨削工况下直线电机的温升很严重,需要进行结构优化并设计合理的冷却系统。

关键词：永磁直线同步电机有限元法温度场动力学平均有效电流热态特性

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木材加工用四头高速电主轴的热态特性研究

木材加工用四头高速电主轴的热态特性研究

作者：陈礼生中国林业科学研究院

学位级别：硕士

高速电主轴作为高速加工机床的主要热源和核心部件,内装于电主轴单元的电机因功率损耗和轴承旋转所引起的摩擦发热却不能避免,如果热源所产生的热量没能及时排出,就会引起高速电主轴的热变形,热变形量超过允许范围会影响电主轴的运行精... 详细信息

高速电主轴作为高速加工机床的主要热源和核心部件,内装于电主轴单元的电机因功率损耗和轴承旋转所引起的摩擦发热却不能避免,如果热源所产生的热量没能及时排出,就会引起高速电主轴的热变形,热变形量超过允许范围会影响电主轴的运行精度。因此,将高速电主轴进行热态特性分析对于电主轴的结构设计和优化具有重要意义。本文选用GRP 135/110RC型四头高速电主轴作为研究对象,运用有限元软件对其热态特性进行了深入分析,主要做了以下工作:（1）分析了四头高速电主轴的结构特点以及工作原理,并对高速电主轴的热态特性进行了研究,主要研究内容包括高速电主轴的热变形原理、热源和改善电主轴热态特性的措施,并着重分析了与四头高速电主轴热态性能相关的冷却方式。（2）计算了四头高速电主轴内的定子、转子和主轴轴承的产热量以及生热率,确定其进行有限元分析时的热载荷。研究了电主轴系统内热量传递的方式和过程,计算了高速电主轴壳体散热所需的冷却空气量、定子和冷却空气之间的换热系数、转子端部与周围空气的换热系数、高速电主轴与外部空气之间的换热系数以及轴承与冷却空气之间的换热系数等,从而确定了四头高速电主轴的边界条件。（3）介绍了ANSYS Workbench的相关知识以及用它进行热分析的基本步骤,采用solidworks软件建立了四头高速电主轴的几何模型,并分别在有和无冷却装置的情形下,对电主轴进行了稳态热分析、瞬态热分析以及热-结构耦合分析,对比了两种情形下的高速电主轴在温度场分布、温升规律以及热变形上的差异,并提出了提高电主轴运行精度的方法。研究结果表明:电主轴温升较大的区域主要集中于主轴轴承附近处,由于2.2kW和7.5kW主轴单元因配置和预紧方式等因素有差异,导致温度场也不同。电主轴的温度随着运转时间的延长而升高,但温升速度却逐渐降低,最终趋于0,此时温度基本达到稳定状态。2.2kW主轴单元前端的热变形量大于后端,径向大于横向,轴承处转轴部分比其两端的变形要小,而7.5kW电主轴单元热变形呈对称分布,两端大,中间和轴承处转轴部分小,且横向大于径向。在有强制风冷装置作用时,两个主轴单元内的转轴温升和热变形较小,满足木材加工的要求;在无强制风冷装置时,7.5kW主轴单元的稳态温度最高,热变形量也最大,为了提高运行精度,可在使用强制风冷装置的前提下,先对机床进行预热,然后再加工。

关键词：四头高速电主轴热态特性 ANSYS Workbench 热-结构耦合分析

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高速永磁同步电主轴的设计及热态特性研究

高速永磁同步电主轴的设计及热态特性研究

作者：洪荣华哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高速加工作为一项很有前途的技术为世人瞩目,它的发展使得加工制造业产出越来越高、损耗越来越低。高速电主轴的发展和成熟是实现高速加工的最关键因素,电机与主轴的合二为一使得能量传递更有效率,加工更平稳,这对实现高速加工至关重要... 详细信息

高速加工作为一项很有前途的技术为世人瞩目,它的发展使得加工制造业产出越来越高、损耗越来越低。高速电主轴的发展和成熟是实现高速加工的最关键因素,电机与主轴的合二为一使得能量传递更有效率,加工更平稳,这对实现高速加工至关重要。电主轴采用了内置式电机,实现了机床的“零传动”,具有结构简单紧凑、功率损耗小、转动惯量小、快速响应性好、易于实现无级调速和精密控制等优点。但以往的电主轴较多采用功率损耗大的异步电机,使电主轴的整体发热量大、温升高、热变形大,从而严重影响了高速机床的加工精度。为降低电主轴的温升,改善其热态特性,本文选用发热量很小的永磁同步电机,完成永磁同步电主轴的整体结构设计,并运用有限元法对设计出的电主轴的热态特性进行深入的分析,具体工作如下:(1)完成电主轴的整体结构设计;确定主轴与阶梯过盈套联结的过盈配合量;应用有限元法对主轴的静刚度进行分析。(2)计算了高速电主轴内部永磁同步电机的损耗发热和轴承的摩擦发热,对电主轴发热的影响因素进行了研究;对电主轴内部、水冷却系统和油-气润滑系统的散热特性进行分析并计算出相应的换热系数。(3)建立高速电主轴热态特性的有限元模型,用有限元软件ANSYS分析了电主轴的温升和热变形,并对轴承温升和主轴热变形的影响因素进行了研究;最后,对永磁同步电机的电主轴与异步电机的电主轴进行热态特性进行的比较。

关键词：高速电主轴热态特性有限元 ANSYS

高速高精数控车床滚珠丝杠进给系统热态特性研究

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高速高精数控车床滚珠丝杠进给系统热态特性研究

作者：钟名东华东交通大学

学位级别：硕士

数控机床的高速化,不仅要求主轴转速不断提高,而且进给速度也要求越来越快。滚珠丝杠螺母副的高速化旋转,必将产生大量的摩擦热,而滚珠丝杠温升引起的热变形通常是进给系统定位误差的主要组成部分。因此,作为数控车床关键部件之一的滚... 详细信息

数控机床的高速化,不仅要求主轴转速不断提高,而且进给速度也要求越来越快。滚珠丝杠螺母副的高速化旋转,必将产生大量的摩擦热,而滚珠丝杠温升引起的热变形通常是进给系统定位误差的主要组成部分。因此,作为数控车床关键部件之一的滚珠丝杠进给系统的热态特性分析与热误差控制对提高和保证机床加工精度至关重要,是高速高精数控车床必须考虑的关键技术之一。本论文是针对江西省教育厅“光机电一体化”产学研重点项目“高速高精数控车床研发”的内容进行研究的。本论文采用ANSYS有限元分析软件,针对GSCK200A型高速数控车床的滚珠丝杠进给系统进行热力学特性分析,从而验证进给系统的热稳定性。本文研究的主要内容如下:(1)广泛查阅机床热态特性研究的相关文献,了解机床整机与滚珠丝杠进给系统的热态特性研究的概况,了解国内外学者对滚珠丝杠进给系统的热态特性研究的常用方法及主要研究成果。(2)分析GSCK200A型数控车床的Z轴进给系统的结构,对Z轴滚珠丝杠螺母副进行选型计算,并校核其各项性能参数。分析Z轴滚珠丝杠螺母副在低速粗车削与高速硬车削两种不同工况条件下的受力载荷情况。(3)介绍热分析的基本理论,建立热传导微分方程,运用加权残数法推导出稳态热传导与瞬态热传导的有限元方程,然后分析热变形与热应力的求解方法。在合理简化的基础上建立了滚珠丝杠进给系统的有限元模型,定义了材料的热物理参数,并对模型划分了网格。(4)在不同工况载荷条件下,分析GSCK200A型数控车床的Z轴滚珠丝杠进给系统的热源,确定了系统各部分的热边界条件,运用ANSYS有限元软件求解了滚珠丝杠进给系统的稳态温度场,并研究其热态特性。(5)以热分析的稳态温度场结果为基础,对GSCK200A型数控车床的Z轴滚珠丝杠进给系统进行了热-结构耦合分析,求解出其热变形。通过本文的研究,验证了GSCK200A型数控车床的进给系统具有优良的热稳定性,并可为相似型号的数控车床研发提供理论参考依据。

关键词：高速高精数控车床滚珠丝杠进给系统有限元法热-结构耦合分析热态特性