1 有限元模型的建立
使用SolidWorks软件建立无负载工况下的A轴三维模型,包括电机内部定子、转子、轴承以及A轴箱体等形状复杂结构。对模型进行简化处理,去除倒角、圆角以及圆孔等特征[20],将复杂面简化为更加平滑的表面,减少倒角以及圆孔等结构特征,将轴承简化成圆环结构。将简化后的A轴三维模型导入ANSYS软件中,并设置材料,A轴箱体作为支撑内部零件的关键部件,一般采用HT300、QT600、40Cr,轴芯材料为40Cr,其余材料为45号钢。然后,进行网格划分,采用自动网格划分方式,生成网格数量为770821,节点数为1261567。划分网格后的A轴模型如图3所示。
通过ANSYS对简化后的结构进行网格划分后,需对网格质量进行评价。网格质量评价是评估网格划分是否满足需求的重要环节,网格划分参数及评价标准如表2所示。
表2 网格质量参数及评价标准
Tab.2 Mesh quality parameters and evaluation criteria
评价类别 | 均值 | 标准 | 结论 |
|---|---|---|---|
单元质量 | 0.75977 | 大于0.3 | 满足需求 |
雅可比系数 | 3.22 | 不大于40 | 满足需求 |
单元扭曲度 | 0.06 | 小于0.5 | 满足需求 |
纵横比 | 2.163 9 | 小于20 | 满足需求 |
2 A轴热-结构耦合分析
2.1 稳态时A轴热特性仿真
[图3 A轴有限元简化模型]
Fig.3 Finite element simplified model of A-axis

通过图4可以看出:A轴处于稳态状态时,其温度最高点为转子中心部位,虽然定子的发热量更大(占总发热量的2/3),但它与冷却水套直接接触,热量大部分被冷却水带走,所以温度略低于转子。从图4可以看出:温度由外到内呈现逐渐增大的趋势,这是因为定子内部与转子接触,会吸收一部分转子的热量。通过图5可以看出:A轴处于稳态状态时,形变最大位置为A轴后端,这是因为前端轴承固定,A轴轴芯形变主要发生在未固定的一端。
同时,通过改变A轴箱体的材料来观察温度分布与形变量的变化。当A轴箱体材料不同时,系统的热稳态云图和形变云图也不相同。当A轴箱体材料为40Cr时,箱体受热发生形变更小。因此,A轴箱体材料更适合使用40Cr。
2.2 瞬态时A轴热特性仿真
通过瞬态仿真分析可有效模拟A轴温升与机床运转时间之间的关系。设置瞬态仿真分析时间为3600s,时间步长为150s,共包含24个时间子步,模拟力矩电机从常温启动到达到热稳态的完整工作过程。在进行热-结构耦合之前,需对轴芯各时刻的温度进行仿真分析。图6所示为A轴在1h内的温度随时间变化曲线。
[图6 A轴各部件温度随时间变化曲线]
Fig.6 The temperature of A-axis components changes over time
从图6可以看出:电机定子的最大温度逐渐上升,从22℃上升至25.9℃,1500s后达到稳定状态,最大温度保持在26℃左右;轴芯与A轴箱体的温度也逐渐升高,在2000s后达到24.2℃左右,随后保持不变。
改变冷却液流量,观察系统形变量的变化。设置初始流量为10L/min,系统强迫换热系数分别为50%、75%、100%、125%、150%,根据式(9)和雷诺数Re计算公式可以推导出,冷却液流量分别为4、7、10、13、16L/min。系统最大温度与不同部位形变量曲线如图7所示。可以看出:系统最大温度和轴芯、A轴箱体形变量随着冷却液流量增大而减小,当冷却液流量达到13L/min时,轴芯与A轴箱体的形变量随着冷却液流量增大基本保持不变。可见,当冷却液流量为13L/min时,A轴的热稳态最佳,观察温度变化可知此时温升在4℃以内。

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