臥式鏜銑加工中心的主軸箱整體溫度場實驗與仿真結果對比
5.3機床主軸箱整體溫度場實驗與仿真結果對比在本文上述環節中，通過分析主軸熱源、初始條件以及邊界條件等因素，計算得 出了主軸、ZF減速箱、主軸箱等部件的穩態溫度場、瞬態溫度場以及相應的熱-結構 耦合分析結果，本節主要通過跑車試驗，對特定溫度測點的溫度變化情況進行測量， 并與有限元溫度場分析結果進行對比，分析誤差產生的原因。主軸箱測溫布點如圖5.11所示，測點編號為1，2，3, 4，分別對應主軸1，2，3,4號軸承位置的溫度傳感器。測溫傳感器采用STT-T系列鉑電阻溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感器精度高，穩定 性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區（-200?650°C)最常用的一種溫度檢測器，不 僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供 計量和校準使用。STT-T系列溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，內部填充導熱材料和 密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設備、流體管道等溫度的測量。 如圖5.12所示，傳感器采用螺紋連接連接的方式安裝在主軸箱的螺紋孔中。主軸箱溫度場跑車實驗的實驗值與仿真值的對比結果如圖5.13至圖5.16所示，將 每一個測點的兩個值放入到同一個圖表中進行對比。由曲線對比可以可看出，實驗測 得數據存在一些變化較大的點，這是因為實際溫度測量試驗測得值受到跑車實驗工 況、數據顯示、測量誤差等因素的影響，但是每個測點的實驗值與仿真值的變化趨勢基本吻合；另外，實驗值高于仿真值，這是因為，在仿真分析中，一方面，采取了簡 化細小零件以及忽略次要特征等手段來簡化模型，使仿真模型在質量以及形狀上與實 際跑車實驗模型有了差異；另一方面，在仿真中，對流系數反映的僅僅是空氣在主軸 箱外壁高溫作用下的流動，而在實際情況中，空氣的自然流動會帶走一部分熱量；所 以，上述兩點造成了實驗值與仿真值的差異。表5.1各溫度測點實驗值與仿真值 U&/V 時間/t 測點1 測點2 測點3 測點4 模擬值 實驗值 模擬值 實驗值 模擬值 實驗值 模擬值 實驗值 0 —— 25. 2 —— 25. 6 —— 26 —— 26. 2 300 24. 9 25. 6 25. 1 26. 6 27. 6 29. 2 26. 4 29. 1 600 25. 2 26. 2 25. 6 27. 5 29. 3 30. 8 27. 6 30. 1 900 25. 7 26. 4 26. 1 28. 6 30. 4 32. 6 28. 6 31. 4 1200 25. 9 26. 4 26. 6 29. 1 31. 2 33. 8 29. 3 32. 4 1500 26. 1 26. 4 27. 1 29. 5 32. 2 34. 4 30. 3 32. 6 1800 26. 3 26. 7 27. 5 29. 1 33. 0 34. 2 30. 9 33 2100 26. 5 26. 7 27. 9 29. 4 33. 6 34. 8 31. 8 33. 6 (接上頁） 2400 26. 7 27. 1 28. 2 29. 5 34. 3 36. 6 31. 8 34 2700 26. 9 27. 6 28. 6 29. 6 34. 5 37. 2 32. 4 34. 2 3000 27. 1 27. 9 28. 9 29. 7 35. 1 37. 9 32. 9 35. 3 3300 27. 3 28. 3 29. 2 30. 2 35. 4 38. 3 33. 5 36. 2 3600 27. 4 28. 1 29. 5 30. 2 35. 9 38. 8 33. 8 36. 5 由仿真結果可以看出，主軸、減速箱以及主軸箱等都具有熱對稱結構，雖然在兩 側具有局部結構的不同，導致溫度場在兩側有細小的差異，但是總體呈現熱對稱的溫 度場分布結果。雖然溫度最高處出現在減速箱上，但是，一方面，減速箱通過與主軸 箱的接觸將熱量傳遞過來，溫度己經產生了大幅度的降低且減速箱溫度最高的地方暴 露在空氣中與空氣進行熱對流，與主軸箱沒有接觸；另一方面，主軸通過主軸軸承與 主軸箱進行連接，而減速箱的安裝位置距離主軸軸承位置較遠，所以，減速箱發熱對 主軸溫度場影響較小。所以，在進行主軸箱整體溫度場實驗的時候，只選取了主軸上 四個軸承安裝位置進行考察。1、2、3、4號軸承仿真值溫度上升趨勢基本相同，與實 驗測得值基本吻合，存在一定誤差；在達到熱平衡時，3號軸承位置的溫度最高。探宄溫度場實驗結果與仿真分析結果出現的誤差，可以歸納為以下幾個方面的原因:(1)在進行有限元分析時，對主軸箱部件模型進行了一定程度的簡化，雖然達 到減少分析單元以及網格、節省計算時間的目的，但是，也會對溫度場的分析結果產 生影響，因為，主軸箱上細小的零件以及次要的特征在有限元分析過程中被簡化掉了， 但是在實際情況中，細小特征會對整體溫度場產生一定程度的影響，小零件也會與主 軸進行熱量的傳遞。(2)在有限元分析過程中，邊界條件的設定是理想化的。比如，熱對流系數設 定為線性，而在實際情況中，對流系數的變化非常復雜，并不是單一的線性變化；另 外，機床表面與空氣的熱對流，仿真中認為是機床對空氣加熱使空氣發生流動，從而 帶走熱量，而在實際情況中，這只是空氣流動的次要原因，主要原因是車間整體環境 中的空氣流動迫使機床表面與空氣進行持續的熱對流交換；再有，在仿真分析中，初 始條件以及后來的環境溫度一直設定為穩定的恒溫狀態，但是實際情況中，由于車間 內自然風以及通風系統等因素的作用，機床所處的環境并不是穩定的恒溫狀態。(3)在機床跑車實驗中，實驗平臺所處的環境比較復雜，周圍熱源等因素也會 對熱對流環境甚至機床本身的熱對流產生一定的影響。(4)在仿真試驗中，主軸設定為是持續一個方向轉動的，而在實際的跑車試驗 中，在中間會進行轉動方向的反轉。(5)仿真分析的測點溫度場結果讀取位置并不一定與主軸箱溫度傳感器的位置 絕對一致。(6)在邊界條件中冷卻液的設定過程中，是根據潤滑油的流量，將實際情況中 的潤滑油間歇性噴發等效為仿真分析中的持續加載情況的，所以，仿真分析與實驗在 邊界條件的設定上也存在偏差。雖然仿真模擬分析與實測值之間存在誤差，但是通過探宄誤差出現原因可以看 出，通過修正、優化有限元分析模型可以取得相對精確的模擬結果。所以，仿真結果 可用，對減小機床熱誤差以及機床冷卻系統的優化設計有一定的參考意義。5.4本章小結本章基于上述機床主軸箱部件的有限元分析溫度場分析結果，得到了主軸箱整體 的溫度場結果。并選取了溫度測點，接下來通過主軸箱跑車試驗對測點的溫度值進行 了實測，得到對比分析結果，并分析了對比結果出現的誤差原因，總結仿真結果可用， 具有一定的參考意義。