高速电主轴油气润滑流场仿真分析.pdf

2 0 1 4年 3月 第 3 9卷 第 3期 润滑与密封 LUBRI CAT 1 0N ENGI NE ERI NG Ma r ． 2 01 4 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 1 8 高速 电主轴油气润滑流场仿真分析 袁 忠秋张珂张丽秀吴玉厚 沈 阳建 筑大学 交通与机械工程学院辽宁沈 阳 1 1 0 1 6 8 摘要 利用三维软件 S o l i d w o r k s 对电主轴进行建模 ，研究在不同转速下油气润滑流体流经电主轴时的速度场分布情 况；分析电主轴转速、电主轴定转子间隙对润滑流场的影响。结果表明随着电主轴转速增加，润滑流体流出电主轴的 速度不断增大，当转速超过一定值后润滑流体流场变化剧烈，且出口处流场的最大速度区域出现位置一般呈9 0 。 夹角分 布 ；流体流经定转子间隙时 ，速度场在轴 向上呈现先增加后减小的趋势 ，在径 向上呈现由转子表面向定子表面递减的趋 势 ；通过增加 出口长度 的方法 ，可 以提高回流现象出现的临界转速。 关键词 电主轴 ；油气润滑 ；流场分析 ；回流临界转速 中图分类号 T H 1 1 7 ． 2 文献标识码 A 文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 3 0 7 9 5 S i m u l a t i o n An a l y s i s o n Oi l a nd Ga s Lu br i c a t i o n Fl o w Fi e l d o f Hi g h S p e e d M o t o r i z e d S pi n d l e Yu an Zh o n fl q i u Zh a n g Ke Zh an g L i x i u W u Yu h ou S c h o o l o f T r a f f i c a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e mo d e l o f mo t o riz e d s p i n d l e wa s b u i l t u s i n g t h r e e d i me n s i o n a l s o f t wa r e S o l i d wo r k s ， t h e v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n wa s r e s e a r c h e d wh e n l u b r i c a t i n g flu i d fl o ws t h r o u g h t h e mo t o riz e d s p i n d l e a t d i f f e r e n t s p e e d s ， a n d t he e f f e c t o f t h e s p i n d l e s p e e d a n d t h e g a p b e t we e n t h e s t a t o r a n d r o t o r o f mo t o r i z e d s p i n d l e o n t h e l u b r i c a t i o n fl o w fi e l d wa s a n a l y z e d． Th e r e s u l t s s h o w t h a t ， alo n g wi t h t h e s p i n d l e s p e e d i n c r e a s i n g， t h e l u b r i c a t i n g fl u i d fl o w s p e e d i s i n c r e a s e d， wh e n t h e s p i n d l e s p e e d e x c e e d s a c e r t a i n v a l u e， t h e l u b ric a t i o n flu i d flo w fie l d c h a n g e s d r a ma t i c a l l y a n d t h e a r e a o f ma x i mu m s p e e d o f o u t l e t fl o w i s g e n e r a l l y 9 0 a n g l e d i s t rib u t i o n． W h e n flu i d flo ws t h r o u g h t h e r o t o r s t a t o r g a p， t h e v e l o c i t y fi e l d i n t h e a x i a l d i r e c t i o n s h o ws fi r s t i n c r e a s e t h e n d e c r e a s e t r e n d， a n d i t p r e s e n t s d e c r e a s e t r e n d f r o m t h e r o t o r s u r f a c e t o t h e s t a t o r s u rfa c e i n t h e r a d i al d i r e c t i o n ． I n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f t he o u t l e t c a n i n c r e a s e t h e c r i t i c a l s p e e d o f r e flu x p h e n o me n o n． Ke y wo r d s mo t o r i z e d s p i n d l e； o i l a n d g a s l u b ric a t i o n； flo w fie l d a n a l y s i s ； b a c k flo w c r i t i c a l s p e e d 高速数控机床是装备制造业 的技术基础 和发展方 向之一，是装备制造业的战略性产业 ，高速数控机床 的工作性能 ，首先取决于高速 主轴 ⋯。电主轴作 为高 速机床的关键部件 ，它的性能优劣直接影响到机床的 加工效率和精度。当电主轴工作时，主轴内部电机发 热及轴承 的摩擦会产生很高 的热量 ，并导致热应力及 热变形，影响机床的加工精度 ，因此必须对电主轴进 行有效冷却及润滑 。 油气润滑是 目前国内外公认的润滑效果好，污染 小的高速电主轴润滑方式 ，因此成为专家学者的研究 基 金 项 目教 育 部 “ 长 江 学 者 与 创 新 团 队 ”计 划 项 目 I R T l l 6 0 ；辽宁省 自然科学基金资助项 目 2 0 1 0 2 1 8 6 ；辽宁省 教育厅项 目 L 2 0 1 2 2 1 5 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 1 1 作者简介 袁忠秋 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生，从事电主轴润 滑研 究 ．E ma i l y u a n z h o n g q i u 1 2 6 ． c o m． 热点。兰州理工大学的朱绪胜 对电主轴中油气两相 流进行了研究 ，发现油气润滑过程中润滑油不是被雾 化而是形成 了小油滴 ，与压缩空气混合在一起进行润 滑；压缩空气的进气 口速度影响雷诺系数 ，进而影响 润滑 油 在 管 道 内 的 输 送 。北 京 科 技 大 学 的 C h e n D o n g j u 等 研究 了热变 形对 主轴加工精度的影响。沈 阳建筑大学的闫大鹏等 对油气润滑的基本原理以及 优点进行了细致研究 ，得出了油气润滑技术将微量的 润滑油分别连续不断地、精确地供给每一套主轴轴 承，具有节能环保等优点。J a e ． H e u m Mo o n等” 研究 了供油量对油气润滑下 轴承工 作性 能的影响。然而上 述研究都是针对电主轴轴承润滑的研究，关于电主轴 系统油气润滑流场的研究较少 ，其原因主要是电主轴 内部结构过 于复 杂 ，很难通过 实验手 段对其 内部流场 的分布情况进行研究 。 本文作者利用 S o l i d w o r k s 对 1 7 0 S D 3 0型陶瓷电主 润滑与密封 第 3 9卷 轴 内部流场进行 了数值模拟 ，研究油 一 气润滑介质在 流经电主轴内部时的速度场分布情况以及主轴转速对 流场 的影响 ，为优化 电主轴 的润滑效果提供 了理论基 础 。 1 电主轴 的润滑方式 在电主轴运转的过程中，电机运转以及轴承摩擦 产生的热量对电主轴的使用危害极大，这就需要通过 润滑冷却的方法来解决。常见润滑方式主要包括油润 滑 、脂润滑、油气润滑。高速主轴工作时转速非常 高，如果采用油润滑很容易产生油滴飞溅 ，难以实现 充分润滑 ，且会造成资源浪费和环境污染等诸多问 题。而油雾润滑由于其润滑效率低 、润滑油不易被回 收，所以对环境污染特别大 ，对操作者的健康损害也 较为严重，一般也很少用于高速主轴润滑。脂润滑是 一 种永久性润滑 ，不需要附加装置和特别维护，但其 温升较高 ，允许的轴承最高工作转速较低 ，同时脂润 滑也会降低全钢轴承的性能 。 与其他润滑方式相 比，油气润滑是一种新型的、 更适用于高速电主轴的润滑方式。其工作原理是利用 压缩空气将微量润滑油输送到需要润滑的位置，既满 足了润滑的要求又避免 了油量过多而产生更大的温 升 ，还可以通过压缩空气带走电主轴内部的一部分热 量，因此 ，油气润滑成为了目前使用最为广泛的电主 轴润滑方式。油气润滑系统的工作原理如图 1 所示。 润 滑油 箱 压 缩空 气 图 1 油 一 气润滑原理图 Fi g 1 0i l g a s l u bri c a t i o n s c h e ma t i c d i a g r a m 2仿真模型 的建立 为 了准确研究 电主轴油气 润滑 的流 场分 布情况 ， 在 S o l i d w o r k s 中创建一个三 维模型 ，图 2示 出了建立 的 1 7 0 S D 3 0型电主轴三维模型 ，表 1给出了 1 7 0 S D 3 0 电主轴主要工作参数。 转 图 2 1 7 0 S D 3 0电主轴 Fi g 2 1 7 0S D3 0 Mo t o riz e d s p i n d l e 表 1 电主轴参数 T a b l e 1 T h e p 啪 me t e r s o f mo t o ri z e d s p i n d l e 分析中选取 1 7 0 S D 3 0型电主轴 内部空腔作为计 算区域 ，如图3所示。润滑流体从进气口流道流经全 陶瓷球轴承、定转子间隙以及出口流道流出电主轴。 在分析的过程中，首先要确保整个模型是完全封闭 的，并且计算的最小体积必须大于 0 。在求解 的过程 中，对计算区域采用非结构四面体的方法进行网格划 分，最终将 1 7 0 S D 3 0型电主轴划分为 1 9 9 1 6个网格。 图 3 流场计算区域 Fig 3 T h e flo w f i e l d c a l c ul a t i o n a r e a 依据实际运转情况设置入 口边界条件 ，即润滑 流 体流入进气口的流量值为 0 ． O 1 m ／ s ，转子的工作转 速为8 0 0 0 r ／ ra i n ；出口边界条件以标准大气压作为压 力边界值。由于仿真分析不涉及热问题 ，故将各个壁 面简化为绝热壁面以便简化计算过程。 3数值 模拟结果与分析 经过模拟仿真计算收敛后 ，流体在半剖面上的速 度 云图如 图 4所 示 ，可 以看 出 ，流 场 的最 大 速度 是 6 5 5 i n ／ s ，发生在出口处；润滑流体流经 电主轴前后 润滑与密封 第 3 9卷 可知，相同转速下的润滑流体在出口处的速度有 较小波动；随着电主轴转速增加，润滑流体流出电主 轴的速度不断增大；主轴转速在 2 4 0 0 0 r ／ m i n以下 时，润滑流体在出口处的速度场比较稳定，速度增长 比较缓慢 ，速度集 中在 5 1 0～ 7 1 0 m ／ s ，相邻区域夹角 为 9 0 。 ；当转速到达 2 8 0 0 0 r ／ m i n时，润滑流体的速 度明显增大，这是由于润滑流体在电主轴内部出现了 大量的超声速流动、高马赫数流动导致流场变化十分 剧烈 。 3 ． 2 电主轴定转子间 隙对润滑流场影响 模型中的转轴及转子周期性的旋转将会对流体产 生巨大的扰动作用。带有一定初速度的流体在压力作 用下，通过进气口进入到电主轴内部，这时的气流速 度较大，在通过油槽流向轴承时 ，由于流道的截面积 急剧减小，使得流体速度激增 ，并在到达轴承时达到 最大速度。流体通过无内圈式全陶瓷球轴承的保持 架、滚珠以及转轴时，由于受到轴承的阻挡 ，流体速 度骤然减小。通过轴承的流体在转子和转轴的高速回 转影响下 ，重新加速 ，进而流入定转子间隙之间，这 时流体的速度为转子速度与流体进入定转子间隙时的 初始速度的矢量合成。 图7示出了润滑流体进入电主轴定转子间隙后 ， 润滑流体速度场在轴向上的分布规律 ，可以看到，流 体进入间隙时的速度大致为 5 m ／ s ，随着进入间隙的 深度的增加 ，空腔的截面积逐渐变小 ，导致流体速度 逐渐增大 ，当进入 到截 面积最小 的空腔位 置时 ，受 到 壁面的黏滞作用，消耗了大量的能量，流体速度下降 很快 ，而后空腔的截面积不再发生变化，流场的速度 也随之稳定在一定范围内。在流体流出定转子间隙 前 ，定转子间隙的空腔截面积增大，流体速度随之降 低 。理论研究表 明 ，流线扩 张 比流线收缩 损失 的能量 要大很多 。因此图7中②处的波谷要低于①处的波 谷 ，④处 的速 度要小 于③处的速度。 昌 础 图 7 流场在定转子间隙轴 向速度分布规律 F i g 7 T h e flo w fie l d i n t h e r o t o r g a p a x i a l ve l o c i t y d i s t r i b ut i o n 图8示出了润滑流体进入电主轴定转子问隙后， 润滑流体速度场在径向上的分布规律，可以看到，越 接近转子表面的流体速度越高，越靠近定子表面的流 体速度越小 ，从转子表面向定子表面大致呈线性递减 的趋势。图9示出了流体经过定转子间隙时的最大速 度与转子转速之间的关系，可以看到，随着电主轴转 子转速的不断攀升，流场的最大速度也不断提高，两 者之间大致 呈线性递增 的趋势 。 昌 图 8 流场在定转子间隙径 向速度分布规律 F i g 8 Th e f l o w fi e l d i n t h e r a d i a l g a p a x i a l v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n 昌 图 9 流场最大速度与转子转速关系 F i g 9 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n fl o w fie l d ma x i mum s p e e d a n d r o t o r s p e e d 3 ． 3 油气润滑介质 回流现 象 由于高速主轴在旋转过程 中形成负压，使得出口 处 内侧压力小于外部环境压力 ，因此 ，在某种转速 下，电主轴润滑流体将产生回流现象。在转速提升至 1 8 0 0 0 r ／ ra i n时，仿真过程中出现了警告提示 ，如图 1 0所示，提示内容说 明仿真过程中出口处出现了回 流现象。研究表明 ，加长流道 出口长度的方法可 以有 效减轻或避免回流现象。加长流道出口长度再次仿真 时 ，电主轴在 1 8 0 0 0 r ／ m i n时 的回流现象 消除 了 ，如 图 1 1所示 。