基于Fluent的电主轴热态分析及结构优化

发布时间：2017-07-16 21:34

  本文关键词：基于Fluent的电主轴热态分析及结构优化

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【摘要】：高速电主轴作为高速机床的核心部件,其性能优劣直接影响到数控机床的加工精度、稳定性以及使用范围。电主轴采用机床主轴与电机融为一体的结构设计,在高速运转时,由于其相对密封的结构特点,自然散热条件较差。因此,有必要对电主轴进行热态特性分析和研究,并且主轴热态特性是影响电主轴精度的诸多相关因素中最为重要的因素之一。本文是以广州市昊志机电股份有限公司研发的高速电主轴为研究对象,对高速电主轴的热源、热传导机制、稳态温度场、热变形、热应力进行分析和研究,运用有限元软件对模型进行热-流-固结构耦合分析,并且通过实验研究验证本文所获得的电主轴稳态温度场的准确性。最后,以主轴热变形量和应力为目标函数,对其进行结构优化。本文主要研究内容如下：1.分析了电主轴的结构特点,并计算了电主轴主要热源的发热量：电机的损耗发热和陶瓷混合球轴承的摩擦生热。根据电主轴对流换热的特点,计算电主轴相关零部件的对流换热系数,从而建立的电主轴发热及热传导的理论模型。2.根据电主轴的发热及热传导理论模型,建立电主轴的热-流-固结构耦合有限元模型,利用Fluent软件对其进行稳态温度场分析,并通过实验测量电主轴关键点温度数据,验证分析结果的准确性。3.在完成电主轴温度场分析后,运用ANSYS Workbench平台对其进行主轴热变形分析,以轴承及电机所在主轴位置为设计变量,以主轴热变形及热应力为目标函数,对主轴结构进行优化设计。
【关键词】：电主轴 滚动轴承 有限元分析 温度场 优化设计
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 电主轴概述11-12
• 1.2 电主轴发展现状及趋势12-14
• 1.2.1 国外高速电主轴发展现状12
• 1.2.2 国内高速电主轴发展现状12-13
• 1.2.3 高速电主轴技术的发展趋势13-14
• 1.3 本课题来源及研究内容14-19
• 1.3.1 课题来源14
• 1.3.2 国内外研究现状14-16
• 1.3.3 课题研究的主要内容16-19
• 第二章 电主轴的结构19-25
• 2.1 电主轴的关键技术19-21
• 2.1.1 支撑轴承技术19-20
• 2.1.2 动平衡技术20
• 2.1.3 润滑技术20
• 2.1.4 冷却技术20-21
• 2.1.5 主轴电机技术21
• 2.2 电主轴的热源分析21-22
• 2.3 电主轴传热特性分析22
• 2.4 影响电主轴温升的因素22-23
• 2.5 本章小结23-25
• 第三章 电主轴热特性分析及计算25-41
• 3.1 陶瓷混合轴承的分析与生热计算25-34
• 3.1.1 Hertz点接触理论26-28
• 3.1.2 轴承的生热分析及计算28-34
• 3.2 电主轴内置电机生热分析与计算34-38
• 3.2.1 电机发热分析35-36
• 3.2.2 内置电机生热计算36-38
• 3.3 电主轴热源的生热率计算38
• 3.4 电主轴对流换热特性分析及计算38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 电主轴的稳态温度场分析41-55
• 4.1 热传递基础41-43
• 4.2 电主轴稳态温度场分析43-49
• 4.2.1 温度场分析的基本步骤43-44
• 4.2.2 电主轴有限元模型44-45
• 4.2.3 电主轴稳态温度场计算45-46
• 4.2.4 电主轴稳态温度场分析及研究46-49
• 4.3 电主轴温度测量实验验证49-53
• 4.3.1 实验装置及测试方法49-51
• 4.3.2 实验测试过程51
• 4.3.3 实验数据与仿真分析对比51-53
• 4.3.4 误差分析53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章 电主轴的热变形分析及结构优化55-69
• 5.1 电主轴的热变形分析55-58
• 5.1.1 主轴热变形分析基本步骤55
• 5.1.2 电主轴热变形有限元分析55-58
• 5.2 电主轴结构优化58-67
• 5.2.1 优化设计的基础原理58-59
• 5.2.2 ANSYS Workbench优化设计59-61
• 5.2.3 主轴结构的优化设计61-67
• 5.3 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 闫大鹏;吴玉厚;张柯;;高速陶瓷电主轴的热源分析及其计算[J];机械工程师;2005年12期

2 周大帅;林厚波;陈永波;;高速电主轴的结构现状及发展趋势[J];金属加工(冷加工);2011年18期

3 吴玉厚;于文达;张丽秀;马向楠;于世成;;基于损耗实验的电主轴温度场分析[J];沈阳建筑大学学报(自然科学版);2014年01期

4 李立毅,崔淑梅,宋凯,程树康;高频电主轴的发热及其对策[J];微电机(伺服技术);2000年03期

5 马平,白钊,李锻能,张伯霖;高速大功率电主轴的油水热交换系统设计[J];组合机床与自动化加工技术;2004年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 张静;基于高速车铣复合加工中心电主轴系统研究[D];兰州理工大学;2006年

2 于印民;高速电主轴轴向热伸长及径向振动实时测量与补偿的研究[D];沈阳理工大学;2009年

3 周彪;基于热—结构耦合的高速车削电主轴特性分析[D];广东工业大学;2012年

4 刘小文;全陶瓷电主轴主轴精密加工实验研究及动态性能分析[D];沈阳建筑大学;2011年

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本文编号：550644