CN112434452A - 一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法、系统设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法、系统及设备，方法包括电主轴温度场建模和热稳态下考虑热力耦合作用的高速电主轴轴承轴径配合公差确定，方法包括：建立电主轴系统三维模型，分析主轴热量产生及传递过程，建立轴承及其接触部件的二维简化模型，对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，并计算轴承发热量；计算电主轴电机发热量，计算轴承发热量和其他主轴发热、散热边界条件，建立考虑流固耦合影响的电主轴温度场计算模型，对轴承发热量、轴承温度应力和电主轴温度场进行迭代计算，获取稳定的电主轴温度场分布结果，同时考虑温度应力对轴承发热的影响，更加准确计算了电主轴工作过程中的轴承发热量。
Description
技术领域
本发明涉及数控机床电主轴温度场建模计算及电主轴轴承装配领域，具体为一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法、系统及设备。
背景技术
数控机床又称“工作母机”，是体现国家制造水平的重要装备。主轴作为机床的核心部件，其性能严重影响机床的加工精度和效率。随着加工要求的不断提高，高转速成为主轴的主要发展方向，同时也使得主轴的产热越来越严重，这些热量在主轴系统内部沿着不同方向以不同速度传导，使得主轴形成不均匀温度场，产生热误差，严重影响加工精度。电主轴相比于传统主轴，其电机内置式结构在提升主轴转速和传动效率的同时，也使得主轴热问题更加复杂，难以控制。高转速下电主轴的轴承发热严重，产生的温度应力也更加严重，温度应力的作用又使得轴承滚动体受力加剧，轴承产热更加严重。高转速下轴承发热难以控制已经成为限制主轴转速提升的关键因素之一。因此，对电主轴系统的温度场进行研究分析以及减轻温度应力作用对轴承发热的影响尤为重要。
目前，常用的电主轴温度场建模方法包括有限差分法、热阻网络法和使用仿真软件建模，其中使用仿真软件建模特别是使用有限元方法进行建模的准确性和效率都较优。但同时目前的电主轴温度场模型中存在以下不足：首先，在冷却液的流动换热处理上，要么假设冷却液在流动时始终保持入口时温度，使用经验公式直接计算冷却液与流道的对流换热系数，没有考虑流道不同位置的换热差异性，也没有考虑冷却液在流动过程中温度变化对冷却效果的影响，影响模型准确性；要么在建模中采用CFD软件热流耦合计算电主轴温度场，由于有限体积法在计算固体传热时的效率相比于有限元法低很多，大大增加了计算时间。另外，目前的电主轴温度场模型在计算轴承发热时，要么不考虑温度应力对轴承发热的影响，要么在分析温度应力作用时只单独分析轴承，没有对轴承及其接触部件进行综合分析，影响计算精度。
而在进行电主轴轴承装配时，轴承与转轴和轴承座的一般采取过盈装配，以保证工作过程中旋转的稳定性。目前在确定过盈装配量时，往往没有考虑轴承在工作状态下，受到温度应力作用，其受力情况相比于初始装配状态会发生变化。设置的过盈装配量并不适用于高速旋转下的轴承，使得轴承摩擦加剧，发热严重，寿命降低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法、系统及设备，通过相应技术手段更精确地仿真计算出主轴内部冷却液与主轴部件间的对流换热过程的同时，也考虑了工作过程中温度应力对轴承发热的影响，在保证计算效率的前提下提升模型计算的准确性，可以提前预测电主轴温度分布，为电主轴的使用和设计提供参考依据。同时以温度场计算模型为基础，计算得到的电主轴热稳态下温度分布，进一步计算得到电主轴的温度应力和热变形情况，据此调整轴承与转轴和轴承座的过盈配合公差。
本发明是通过以下技术方案来实现：一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，包括以下步骤：
S1，基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的温度应力和热变形计算模型；将温度场分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
S2，根据S1所得到的电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差。
建立考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型包括如下步骤：
步骤1，根据电主轴的实际情况建立电主轴系统三维模型，并分析电主轴的热量产生及传递过程；
步骤2，建立二维圆环温度分布解析计算模型，建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及接触部件温度分布的二维简化圆环模型；
步骤3，对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，并以轴承滚动体受力情况为基础计算轴承发热量；计算电主轴电机发热量，静力学分析不考虑温度应力对轴承发热量的影响；
步骤4，计算电主轴各项散热边界条件；
步骤5，结合所述电主轴系统三维模型、电主轴电机发热量以及计算电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴初始的温度场分布；
步骤6，从电主轴初始的温度场分布结果中提取温度场数据，结合轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的二维简化圆环模型和电主轴轴承进行静力学分析结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量；并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至相邻两次计算中轴承外圈平均温度差小于设定的值Δ，即得到稳定的电主轴温度场分布结果。
将轴承及其接触部件简化为二维圆环模型时，根据导热微分方程建立模型的温度分布解析计算模型，
对于转轴及轴承座等不发热部件：
对于发热部件轴承：
其中，T为温度，r为半径，qv为轴承发热功率，λ为材料导热系数，下标Ⅰ代表转轴、下标Ⅱ代表轴承、下标Ⅲ代表轴承座，Γ1处的温度数据为TΓ1，Γ2处的温度数据为TΓ2，Γ3处的温度数据为TΓ3，Γ4处的温度数据为TΓ4，分别代表模型对应各圈位置，模型内外圈Γ1，Γ2，Γ3，Γ4处温度数据TΓ1，TΓ2，TΓ3，TΓ4从温度场计算模型提取对应部件内外圈平均温度得到。
对二维圆环模型进行考虑温度应力作用的弹性力学分析，得到二维圆环温度应力及位移解析计算模型，具体为：
其中，σ为应力，ε为应变，s为位移，E为弹性模量，υ为泊松比，α为热弹性系数，c1、c2为常数，下标r和
代表径向和周向，出求解边界条件并求解，得到二维圆环模型的温度应力分布情况；步骤2中，结合温度应力计算模型计算轴承内外圈滚道位置径向温度应力差，所述径向温度应力差由各个滚动体均匀分担，计算得到工作状态下轴承滚动体所受温度应力Ftem。
对轴承进行拟静力学分析时，滚动体受力平衡分析中，考虑轴承滚动体所受温度应力Ftem，得到的滚动体受力平衡方程为：
其中，Qij/Qoj为滚动体在工作状态下受到内/外圈滚道的接触载荷，Fcj和Mgj分别为高速旋转引起的离心力和陀螺力矩，Dw为滚动体直径，λ为沟道控制相关系数，α为滚动体与轴承内圈/外圈接触角，下标j代表第j个滚动体，i代表内滚道、o分别代表外滚道。
步骤4中，计算电主轴各项散热边界条件时，分别建立电主轴固体和流体部分温度场计算模型，对电主轴固体和流体部分温度场计算模型进行同步迭代与耦合参数实时交互，固体模型将冷却流道壁面温度传输给流体模型，流体模型将冷却液对流换热系数和近壁面流体温度传输给固体模型，直至固体温度场基本不随迭代而发生变化，得到主轴的固体和流体部分温度分布。
步骤6具体如下：
步骤61，提取步骤5得到的固体温度计算模型中轴承及其接触部件的温度数据，利用步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并重复对轴承进行拟静力学分析和基于对轴承静力学分析的结果计算轴承发热量，计算得到考虑温度应力作用的轴承发热量，
步骤62，将步骤61重新计算得到的轴承发热量输入步骤5所得电主轴流固耦合温度场计算模型，得到新的电主轴温度场分布情况，同时再次提取轴承座外圈平均温度；
步骤63，根据步骤62所得主轴温度场计算模型，提取轴承及其接触部件的温度数据，结合步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并结合对轴承进行拟静力学分析和基于对轴承静力学分析的结果计算轴承发热量，再次计算考虑温度应力作用的轴承发热量；
步骤64，重复步骤62和步骤63直至相邻两次计算的轴承外圈平均温度差小于设定值，此时继续迭代对电主轴温度影响不大，输出最近一次的得到稳定的电主轴温度场分布结果。
一种模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的系统，包括电主轴应力和变形计算模块和配合公差计算模块；
电主轴应力和变形计算模块基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的温度应力和热变形计算模型；将温度场分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
配合公差计算模块根据电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差；
电主轴应力和变形计算模块包括电主轴系统模型构建单元、二维简化圆环模型构建单元、轴承进行静力学分析单元、轴承发热量计算单元、主轴电机发热量计算单元、主轴散热边界条件计算单元以及温度场耦合计算单元；
主轴系统模型构建单元根据电主轴的实际情况对电主轴的热量产生及传递过程建立电主轴系统三维模型；
二维简化圆环模型构建单元用于建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及接触部件温度分布的二维简化圆环模型；
轴承进行静力学分析单元用于对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，轴承发热量计算单元以所述轴承滚动体受力情况为基础计算轴承发热量；主轴电机发热量计算单元用于计算电主轴电机发热量；
主轴散热边界条件计算单元用于计算电主轴各项散热边界条件；
温度场耦合计算单元包括温度场分布耦合单元和迭代单元，所述温度场分布耦合单元结合所述电主轴系统三维模型、电主轴电机发热量以及计算电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴初始的温度场分布；迭代单元用于从电主轴初始的温度场分布结果中提取温度场数据，结合轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的二维简化圆环模型和电主轴轴承进行静力学分析结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量；并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至得到稳定的电主轴温度场分布结果。
一种计算机设备，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法的部分步骤或所有步骤。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本发明所述模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在进行电主轴温度场建模时，使用分别建立电主轴固体和流体部分温度场计算模型，并对二者数据反复耦合迭代的方式，更加准确的描述了冷却液在电主轴内部的换热过程，同时考虑温度应力对轴承发热的影响，对轴承发热和主轴温度场进行反复迭代计算，更加准确计算了电主轴工作过程中的轴承发热量；其次，在建模时，对电主轴固体部分采用有限元软件，发挥有限元软件计算效率高的特点；对冷却液流体部分采用CFD软件，发挥了CFD软件在流体相关计算准确性更高的特点，实现了计算精度与效率的综合。同时本发明充分考虑温度应力作用对轴承的影响，调整轴承与转轴和轴承座的过盈配合公差，降低温度应力对轴承发热的影响，可以有效提升轴承使用寿命。
附图说明
图1为本发明中建立的轴承及其接触部件简化二维圆环模型，图中Ⅰ为转轴，Ⅱ为轴承，Ⅲ为轴承座。
图2为轴承所受温度应力分担示意图。
图3a为轴承内外圈位移情况，图3b为轴承内部滚动体的角位置分布，图3c为工作状态下轴承滚动体中心与沟道曲率中心位置。
图4为工作状态下轴承滚动体的受载情况描述示意图。
图5为计算得到电主轴一种温度分布示意图。
图6为计算得到的电主轴另一种温度分布示意图。
图7为本发明一种可实施的方法流程图。
图8为调整装配公差前后配合公差示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考图7，本发明所提供的一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，包括以下步骤：
S1，基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的温度应力和热变形计算模型；将温度场分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
S2，根据S1所得到的电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差。
其中，电主轴温度场建模部分包括如下步骤：
步骤1，根据电主轴的实际情况建立电主轴系统三维模型，并对电主轴的热量产生及传递过程进行分析。具体如下：
去除电主轴系统内部对温度场建模计算影响不大的零件及特征，使用三维建模软件建立电主轴系统的三维模型；
对电主轴内部热量的产生及传递过程进行分析，电主轴系统内部的主要热源包括轴承发热以及内置电机发热，热量在系统内部的传递方式如下：存在温差的固体部件内部以及相互接触的固体部件间进行热传导；主轴箱等工作中基本静止部件与空气间进行自然对流换热；主轴转子和轴承等高速旋转部件与空气及润滑系统间，以及冷却液和冷却流道间进行强制对流换热；由于主轴电机定子和转子内外间距离很近，加上受到的冷却不同，具有较明显的温差，主轴电机定子和转子之间进行辐射换热也需要考虑。
步骤2，简化电主轴轴承及其接触部件，建立二维简化圆环温度分布解析计算模型。
根据电主轴轴承及其接触部件的尺寸、材料以及装配和受力情况，建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的映射模型，具体如下：
步骤21，结合电主轴轴承、转轴以及轴承座的具体尺寸，建立如图1所示的二维圆环简化模型，其中Ⅰ代表转轴，Ⅱ代表轴承，Ⅲ代表轴承座，模型各圈直径由相应部件的内外圈直径确定。
步骤22，建立二维圆环温度分布解析计算模型，圆环模型内外圈Γ1，Γ2，Γ3，Γ4处温度数据分别为：Γ1处为TΓ1，Γ2处为TΓ2，Γ3处为TΓ3，Γ4处为TΓ4，TΓ1、TΓ2、TΓ3以及TΓ4可由之后建立的电主轴温度计算模型提取对应部件内外圈平均温度得到，结合极坐标下的导热微分方程得到轴承各部件温度分布解析计算模型。
对于转轴及轴承座等不发热部件：
对于发热部件轴承：
其中，T为温度，r为半径，qv为轴承发热功率，λ为材料导热系数，下标Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表转轴、轴承和轴承座，Γ1，Γ2，Γ3，Γ4，分别代表模型对应各圈位置。
根据弹性力学理论，平衡微分方程、几何方程和物理方程得到二维圆环温度应力及位移解析计算模型，即轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型：
其中，σ为应力，ε为应变，s为位移，E为弹性模量，υ为泊松比，α为热弹性系数，c1、c2为常数，下标r和
代表径向和周向。
结合各部件装配情况，列出求解边界条件，进行求解，即可得到二维圆环温度分布解析计算模型中各部件温度应力分布情况。
步骤23，轴承所受温度应力处理
根据步骤22计算轴承内外圈滚道位置径向温度应力差，如图2所示，假设轴承径向温度应力差由各个滚动体均匀分担，即可得到工作状态下轴承滚动体所受温度应力Ftem。
步骤3，对电主轴轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体的受力情况；
不考虑温度应力影响，计算各轴承发热量；根据主轴实际情况，计算电主轴电机发热量。具体如下：
步骤31，对轴承进行拟静力学分析
参考图3a、图3b以及图3c，对工作状态下的轴承滚动体进行分析，工作状态下轴承滚动体的几何方程为：
(A1j-X1j)2+(A2j-X2j)2-Δij 2＝0
X2j 2+X2j 2-Δoj 2＝0
如图4所示，对轴承滚动体水平和竖直方向进行受力平衡分析，滚动体在工作状态下受到内外圈滚道的接触载荷Qij，Qoj、高速旋转引起的离心力Fcj、陀螺力矩Mgj以及步骤23所讨论的温度应力Ftem的共同作用。滚动体受力平衡方程为：
其中，
δ为接触变形，Dw为滚动体直径，λ为沟道控制相关系数，α为滚动体与轴承内圈/外圈接触角，K为轴承内圈/外圈与滚动体接触载荷-接触变形相关系数，下标j代表第j个滚动体，i代表内滚道、o分别代表外滚道，下同。
对轴承内圈进行受力分析，得到受力平衡方程：
其中，F为轴承预紧力，M为轴承所受翻转力矩，
为轴承内沟道曲率轨迹的半径，r为轴承沟道半径，下标a和r分别代表轴向和径向。
通过Newton-Raphson算法对受力平衡方程进行迭代求解，可以得到轴承滚动体的受力情况。
步骤32，基于对轴承静力学分析的结果计算轴承发热量
利用下面公式计算轴承内外圈生热功率：
Hij＝1.047×10-4×(ωjMij+ωsiMsi)
Hoj＝1.047×10-4(ωjMoj+ωsoMso)
其中，
其中，H为轴承内外圈生热功率，ω为旋转角速度，Mi为摩擦力矩重新分配滚动体内圈上的局部分量，Mo为摩擦力矩重新分配滚动体外圈上的局部分量，ML为轴承受载荷摩擦引起的摩擦力矩，Mv为轴承润滑剂摩擦引起的摩擦力矩，Msi为滚动体内圈自旋力矩，Mso为滚动体外圈自旋力矩，a为滚动体与轴承内外圈接触椭圆的半长轴，∑为滚动体与轴承内外圈接触椭圆第二类椭圆积分。
步骤33，计算电主轴电机发热量
根据下式计算电主轴电机发热量P：
P＝PCu+PFe+Pn+PM
其中，PCu为铜损，PFe为铁损，Pn为机械损耗，PM为磁损。
步骤4，计算电主轴各项散热边界条件的数值，其中热传导和热辐射在仿真计算软件中直接设置即可，需要计算的是对流换热的换热系数。对流换热包括自然对流换热和强迫对流换热。电主轴中自然对流换热主要发生在主轴部件与空气间，强迫对流换热发生在轴内外圆周周面与空气间、转轴端面与空气间、轴承与润滑系统对流换热转子外圆面与气隙对流换热。而冷却液和冷却流道间换热，使用CFD软件模拟，根据对流换热计算通式计算各项对流换热系数：
其中，h为对流换热系数，Nu为努塞尔数，λfluid为流体导热系数，L为换热特征长度。
步骤5，结合步骤1所得电主轴系统的三维模型、步骤3所得各轴承发热量和电主轴电机发热量以及步骤4所得电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴流固耦合温度场计算模型；具体如下：
步骤51，使用有限元软件Abaqus，结合步骤1～步骤4的分析计算结果，建立主轴固体部分温度场计算模型，并进行初始化，初次计算电主轴温度场时，计算轴承发热时设置Ftem＝0。
步骤52，设置进出口以及壁面边界条件，建立冷却液流体部分温度场计算模型；作为优选的示例，本发明使用CFD软件FLUENT设置相应进出口以及壁面边界条件，建立冷却液流体部分温度场计算模型。
步骤53，采用MpCCI软件实现主轴固体部分温度场计算模型和冷却液流体部分温度场计算模型同步迭代与耦合参数实时交互，数据交互过程设置如下：
首先，计算不考虑冷却液作用的固体部分温度场，然后提取冷却液流道壁的温度数据，将所提取的温度数据传输至流体温度场计算模型中，求解得到流体温度场；再提取流体模型的冷却液壁面对流换热系数，将近壁面流体温度数据传输至固体温度场计算模型，计算出考虑冷却液作用的温度场分布；再提取冷却液流道壁的温度数据传输至流体温度场计算模型，如此反复迭代，直至固体温度场基本不随迭代而发生变化，得到主轴的固体和流体部分温度分布，即电主轴流固耦合温度场计算模型。
作为示例，本发明采用Abaqus计算不考虑冷却液作用的固体部分温度场，然后提取冷却液流道壁的温度数据，将所提取的温度数据传输至FLUENT流体温度场计算模型中，求解得到流体温度场。
步骤6，提取轴承温度场计算模型数据，结合步骤2和步骤3所得结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量，并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至得到稳定的电主轴稳定场分布，参考图5和图6；本步骤具体如下：
步骤61，提取步骤5得到的固体温度计算模型中轴承及其接触部件的温度数据，利用步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并重复步骤31和步骤32，计算得到考虑温度应力作用的轴承发热量，本发明优选采用PYTHON编写二次开发程序。
步骤62，将步骤61重新计算得到的轴承发热量输入步骤5所得电主轴流固耦合温度场计算模型，得到新的电主轴温度场分布情况，同时再次提取轴承座外圈平均温度。
步骤63，根据步骤62所得主轴温度场计算模型，提取轴承及其接触部件的温度数据，结合步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并结合步骤31和步骤32，再次计算考虑温度应力作用的轴承发热量。
步骤64，重复步骤62和步骤63直至相邻两次计算的轴承外圈平均温度差小于设定值Δ，此时继续迭代对电主轴温度影响不大，输出最近一次的得到稳定的电主轴温度场分布结果。
热稳态下考虑热力耦合作用的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法部分包括如下步骤：
S1，根据前面建立的电主轴温度场计算模型，计算得到的热稳态下电主轴温度分布，并据此建立电主轴受温度应力影响下的热应力和热变形计算模型，具体如下：
使用电主轴温度场计算模型计算得到电主轴热稳态温度场分布，将其输入电主轴温度应力和热变形计算模型，同时根据电主轴内部部件的装配情况以及电主轴的实际工作情况，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到热稳态下电主轴的温度应力分布情况和热变形分布情况。
S2，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形数值，以此为参考，调节装配过程中轴承内圈和转轴外圈以及轴承外圈和轴承座内圈的过盈配合公差，从而减轻温度应力对轴承发热的影响，具体如下：
根据上一步骤所得到的电主轴热变形计算模型，提取各个轴承内外圈的径向热变形情况，根据热变形情况调整轴承内圈和转轴外圈以及轴承外圈和轴承座内圈的过盈配合公差，使得轴承在温度应力作用下产生热变形后与二者的过盈配合公差符合轴承装配设计公差要求。具体操作为，假设原预定轴承与轴承座的过盈配合量为δ1，根据电主轴热变形计算模型提取到轴承外圈径向热变形平均值为δ2，则调整轴承与轴承座的过盈配合量为δ1-δ2，从而有效缩小温度应力对工作状态下轴承的影响，减少轴承发热量，增加轴承寿命，参考图8。
本发明提出一种模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的系统，包括电主轴应力和变形计算模块和配合公差计算模块；
电主轴应力和变形计算模块基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布情况，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的热应力和热变形计算模型；并将温度场的分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
配合公差计算模块根据电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差；
电主轴系统模型构建单元、二维简化圆环模型构建单元、轴承进行静力学分析单元、轴承发热量计算单元、主轴电机发热量计算单元、主轴散热边界条件计算单元以及温度场耦合计算单元；
主轴系统模型构建单元根据电主轴的实际情况对电主轴的热量产生及传递过程建立电主轴系统三维模型；
二维简化圆环模型构建单元用于建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及接触部件温度分布的二维简化圆环模型；
轴承进行静力学分析单元用于对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，轴承发热量计算单元以所述轴承滚动体受力情况为基础计算轴承发热量；主轴电机发热量计算单元用于计算电主轴电机发热量；
主轴散热边界条件计算单元用于计算电主轴各项散热边界条件；
温度场耦合计算单元包括温度场分布耦合单元和迭代单元，所述温度场分布耦合单元结合所述电主轴系统三维模型、电主轴电机发热量以及计算电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴初始的温度场分布；迭代单元用于从电主轴初始的温度场分布结果中提取温度场数据，结合轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的二维简化圆环模型和电主轴轴承进行静力学分析结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量；并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至得到稳定的电主轴温度场分布结果。
本发明还提供一种计算机设备，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现本发明所述模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法的部分步骤或所有步骤，存储器还用于存储稳定的电主轴温度场分布结果。
本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被
处理器执行时，能实现本发明所述的模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法。
所述计算机设备可以采用笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站。
处理器可以是中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)或现成可编程门阵列(FPGA)。
对于本发明所述存储器，可以是笔记本电脑、平板电脑、桌面型计算机、手机或工作站的内部存储单元，如内存、硬盘；也可以采用外部存储单元，如移动硬盘、闪存卡。
计算机可读存储介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序单元或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、固态硬盘(SSD，Solid State Drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(ReRAM,Resistance Random Access Memory)和动态随机存取存储器(DRAM，Dynamic Random Access Memory)。
Claims (10)
1.一种高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的温度应力和热变形计算模型；将温度场分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
S2，根据S1所得到的电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差。
2.根据权利要求1所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，建立考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型包括如下步骤：
步骤1，根据电主轴的实际情况建立电主轴系统三维模型，并分析电主轴的热量产生及传递过程；
步骤2，建立二维圆环温度分布解析计算模型，建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及接触部件温度分布的二维简化圆环模型；
步骤3，对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，并以轴承滚动体受力情况为基础计算轴承发热量；计算电主轴电机发热量，静力学分析不考虑温度应力对轴承发热量的影响；
步骤4，计算电主轴各项散热边界条件；
步骤5，结合所述电主轴系统三维模型、电主轴电机发热量以及计算电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴初始的温度场分布；
步骤6，从电主轴初始的温度场分布结果中提取温度场数据，结合轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的二维简化圆环模型和电主轴轴承进行静力学分析结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量；并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至相邻两次计算中轴承外圈平均温度差小于设定的值Δ，即得到稳定的电主轴温度场分布结果。
3.根据权利要求2所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，步骤2中，将轴承及其接触部件简化为二维圆环模型时，根据导热微分方程建立模型的温度分布解析计算模型，
对于转轴及轴承座等不发热部件：
对于发热部件轴承：
其中，T为温度，r为半径，qv为轴承发热功率，λ为材料导热系数，下标Ⅰ代表转轴、下标Ⅱ代表轴承、下标Ⅲ代表轴承座，Γ1处的温度数据为TΓ1，Γ2处的温度数据为TΓ2，Γ3处的温度数据为TΓ3，Γ4处的温度数据为TΓ4，分别代表模型对应各圈位置，模型内外圈Γ1，Γ2，Γ3，Γ4处温度数据TΓ1，TΓ2，TΓ3，TΓ4从温度场计算模型提取对应部件内外圈平均温度得到。
4.根据权利要求2所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，步骤2中，对二维圆环模型进行考虑温度应力作用的弹性力学分析，得到二维圆环温度应力及位移解析计算模型，具体为：
其中，σ为应力，ε为应变，s为位移，E为弹性模量，υ为泊松比，α为热弹性系数，c1、c2为常数，下标r和
代表径向和周向，出求解边界条件并求解，得到二维圆环模型的温度应力分布情况；步骤2中，结合温度应力计算模型计算轴承内外圈滚道位置径向温度应力差，所述径向温度应力差由各个滚动体均匀分担，计算得到工作状态下轴承滚动体所受温度应力Ftem。
5.根据权利要求2所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，步骤3中，对轴承进行拟静力学分析时，滚动体受力平衡分析中，考虑轴承滚动体所受温度应力Ftem，得到的滚动体受力平衡方程为：
其中，Qij/Qoj为滚动体在工作状态下受到内/外圈滚道的接触载荷，Fcj和Mgj分别为高速旋转引起的离心力和陀螺力矩，Dw为滚动体直径，λ为沟道控制相关系数，α为滚动体与轴承内圈/外圈接触角，下标j代表第j个滚动体，i代表内滚道、o分别代表外滚道。
6.根据权利要求2所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，步骤4中，计算电主轴各项散热边界条件时，分别建立电主轴固体和流体部分温度场计算模型，对电主轴固体和流体部分温度场计算模型进行同步迭代与耦合参数实时交互，固体模型将冷却流道壁面温度传输给流体模型，流体模型将冷却液对流换热系数和近壁面流体温度传输给固体模型，直至固体温度场基本不随迭代而发生变化，得到主轴的固体和流体部分温度分布。
7.根据权利要求2所述的高速电主轴轴承轴径配合公差确定方法，其特征在于，步骤6具体如下：
步骤61，提取步骤5得到的固体温度计算模型中轴承及其接触部件的温度数据，利用步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并重复对轴承进行拟静力学分析和基于对轴承静力学分析的结果计算轴承发热量，计算得到考虑温度应力作用的轴承发热量，
步骤62，将步骤61重新计算得到的轴承发热量输入步骤5所得电主轴流固耦合温度场计算模型，得到新的电主轴温度场分布情况，同时再次提取轴承座外圈平均温度；
步骤63，根据步骤62所得主轴温度场计算模型，提取轴承及其接触部件的温度数据，结合步骤2所得轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布的二维简化圆环模型，计算得到轴承滚动体所受温度应力作用，并结合对轴承进行拟静力学分析和基于对轴承静力学分析的结果计算轴承发热量，再次计算考虑温度应力作用的轴承发热量；
步骤64，重复步骤62和步骤63直至相邻两次计算的轴承外圈平均温度差小于设定值，此时继续迭代对电主轴温度影响不大，输出最近一次的得到稳定的电主轴温度场分布结果。
8.一种模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的系统，其特征在于，包括电主轴应力和变形计算模块和配合公差计算模块；
电主轴应力和变形计算模块基于考虑热力耦合作用的电主轴温度场模型，计算得到电主轴热稳态下温度分布，建立电主轴热稳态下受温度应力影响下的温度应力和热变形计算模型；将温度场分布输入电主轴温度应力和热变形计算模型，根据电主轴内部部件的装配条件以及电主轴的实际服役条件，加载相应的位移和应力边界条件，计算得到电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布；
配合公差计算模块根据电主轴的热稳态下温度应力分布和热变形分布，提取轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值，根据所述轴承内圈和外圈温度应力和热变形计算数值调节装配过程中轴承内外圈和转轴、轴承座的过盈配合公差；
电主轴应力和变形计算模块包括电主轴系统模型构建单元、二维简化圆环模型构建单元、轴承进行静力学分析单元、轴承发热量计算单元、主轴电机发热量计算单元、主轴散热边界条件计算单元以及温度场耦合计算单元；
主轴系统模型构建单元根据电主轴的实际情况对电主轴的热量产生及传递过程建立电主轴系统三维模型；
二维简化圆环模型构建单元用于建立轴承滚动体所受温度应力与轴承及接触部件温度分布的二维简化圆环模型；
轴承进行静力学分析单元用于对电主轴的轴承进行静力学分析，得到轴承滚动体受力情况，轴承发热量计算单元以所述轴承滚动体受力情况为基础计算轴承发热量；主轴电机发热量计算单元用于计算电主轴电机发热量；
主轴散热边界条件计算单元用于计算电主轴各项散热边界条件；
温度场耦合计算单元包括温度场分布耦合单元和迭代单元，所述温度场分布耦合单元结合所述电主轴系统三维模型、电主轴电机发热量以及计算电主轴各项散热边界条件，建立电主轴热流耦合温度场计算模型，得到电主轴初始的温度场分布；迭代单元用于从电主轴初始的温度场分布结果中提取温度场数据，结合轴承滚动体所受温度应力与轴承及其接触部件温度分布之间的二维简化圆环模型和电主轴轴承进行静力学分析结果，计算考虑温度应力作用的轴承发热量；并进行轴承发热量与电主轴温度场的反复迭代计算，直至得到稳定的电主轴温度场分布结果。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括但不限于一个或多个处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取部分或全部所述计算机可执行程序并执行，处理器执行部分或全部计算可执行程序时能实现权利要求1-7所述模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法的部分步骤或所有步骤。
10.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，能实现权利要求1-7所述模拟电主轴温度场电主轴温度场分布的方法。
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