接触热阻建模及在电主轴热分析中的应用

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由于内装式电机的功率损耗发热和高速滚动轴承的摩擦发热,使得高速电主轴的发热量很大,严重影响电主轴的加工性能,研究电主轴的热态特性是当前精密电主轴的主要研究任务之一。然而电主轴主要结合面的接触热阻对电主轴热态特性影响很大,建立准确的接触热阻模型至关重要。本论文主要围绕接触热阻和高速精密电主轴的热态特性展开的,总结全文,将研究内容归纳如下:  (1)对分形理论、分形维数和分形参数进行了简单的描述,利用二维和三维W-M函数表征实际的粗糙表面,说明粗糙表面具有自反射性、处处连续和处处不可导性。  (2)基于M-B模型,假设微凸体发生弹性、弹塑性和完全塑性变形,建立收缩热阻模型;考虑间隙空气介质的影响,建立空气热阻模型,两者并联从而建立接触界面总热阻的分形模型,通过数值计算分析分形参数、接触载荷等对接触热阻的影响,为接触热阻在电主轴的热分析中的应用做铺垫。  (3)首先对电主轴的结构特征、电机和轴承的发热进行了分析,给出了电机转子、定子和轴承的生热密度的计算公式;然后给出了具有广泛通用性的高速电主轴热传导微分方程,概述了三类温度场的边界条件;最后简化分析了电主轴系统之间的传热过程,对于传热系数进行了详细的理论计算,为电主轴系统的仿真分析奠定了理论基础。  (4)利用Ansys-Workbench软件建立了高速电主轴有限元模型,在有无热阻影响时,对高速电主轴进行了稳态温度场、瞬态温度场和热变形的对比分析。在精密立式加工中心上,完成了高速电主轴的温升试验,得到在不同转速条件下电主轴各主要部件温度的变化规律,与仿真结果进行比较分析,说明了接触热阻模型的准确性和接触热阻在电主轴温度场分析中的影响,要得到较为准确的电主轴热特性,要建立更准确、更符合实际的模型,必须考虑接触热阻的影响。
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