1 高速電主軸試驗臺

電主軸溫度測量實驗系統(tǒng)，由高速電主軸實驗臺、變頻控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)組成。高速電主軸試驗臺采用寧波達進鑫茂 GX0728-85B 型號作為實驗對象，內(nèi)部采用高速角接觸球軸承 B7002C，潤滑方式為脂潤滑，軸承預(yù)緊方式采用碟簧定壓預(yù)緊，初始預(yù)緊力為 248N，改變碟簧數(shù)量即可改變預(yù)緊力大小。電主軸以水為冷卻介質(zhì)進行冷卻。變頻控制系統(tǒng)采用無錫中遠(yuǎn) MF30-25G，開環(huán)控制。為了實時獲取電主軸轉(zhuǎn)速，采用激光轉(zhuǎn)速儀實時測量。溫度測量系統(tǒng)采用 Omega 熱電偶及 NI的 4353 溫度采集模塊對電主軸軸承外圈、端蓋及電機定子進行測量，溫度分辨率 0． 1°C 。高速電主軸溫度測量實驗系統(tǒng)如圖 4 所示。

2 轉(zhuǎn)速對溫升的影響

在室溫為23°C，軸承預(yù)緊力為248N，冷卻水進口溫度為23°C，冷卻流量1L / min的使用條件下，對不同電 主 軸工作轉(zhuǎn)速(10000，20000，30000，40000，50000，60000rpm) 條件下，進行理論計算并同時測量電主軸前后軸承外圈、前軸承端蓋、電機定子溫度如圖5所示。

前后軸承外圈、前軸承端蓋及電機定子溫升理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，誤差較小，電主軸熱特性模型較好地模擬了電主軸轉(zhuǎn)速-溫升影響規(guī)律。從不同轉(zhuǎn)速下的溫升趨勢來看，隨著轉(zhuǎn)速升高，電機及軸承穩(wěn)態(tài)溫升均增加，并且由于熱源影響，電主軸端蓋溫升也比較明顯; 隨著轉(zhuǎn)速升高，溫升速率也不斷加大，說明電主軸電機及軸承發(fā)熱率隨轉(zhuǎn)速升高而增大。從冷卻效果來看，后軸承及電機比前軸承及端蓋冷卻效果好，因為強制水冷卻流道經(jīng)過定子及后軸承殼體，散熱較強，而前軸承及端蓋基本靠空氣對流散熱，散熱較差。因此，結(jié)合不同工況下的需求，應(yīng)選用合理轉(zhuǎn)速，以減少發(fā)熱量進而減小對電主軸的熱影響。

 3 預(yù)緊力對溫升的影響

在室溫為 23°C，轉(zhuǎn)速為30000rpm和60000rpm，冷卻水初始溫為 23°C ，冷卻流量 1L / min，對不同電主軸預(yù)緊力(5，85，147，248，417，525N) 條件下，進行理論計算并采用熱電偶同時測量電主軸前后軸承外圈溫度如圖6所示。

預(yù)緊力對前后軸承溫升影響理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果除在較低預(yù)緊力條件外基本一致，理論模型較好地模擬了軸承預(yù)緊力-溫升規(guī)律。從前后軸承溫升曲線來看，隨著軸承預(yù)緊力增大，電主軸軸承溫升也逐漸升高，因為預(yù)緊力的增大導(dǎo)致球與內(nèi)外滾道接觸應(yīng)力變大，摩擦阻力也變大，進而導(dǎo)致發(fā)熱量增加。對于較低預(yù)緊力條件下，實驗與理論結(jié)果相差較大，原因可能是本文采用的軸承擬靜力學(xué)模型并未考慮到高速球軸承在高速和低預(yù)緊力條件下，球與內(nèi)外滾道的滑移運動的影響，誤差來源可能是在高速和低預(yù)緊力條件下滑移運動嚴(yán)重進而導(dǎo)致實際軸承發(fā)熱量比理論預(yù)測高。

4 冷卻水流量對溫升的影響

在室溫為 23°C ，轉(zhuǎn)速為 60000rpm，冷卻水初始溫度為 23°C ，對不同冷卻流量 (1，2，3，4，5L / min) 條件下，進行理論計算并同時測量電主軸前后軸承外圈及電機定子溫度如圖 7 所示。

冷卻水強制冷卻對于前后軸承均有作用，由于冷卻流道布置方式( 見圖 3) ，對于后軸承和電機定子冷卻效果比前軸承好。從冷卻流量來看，隨冷卻流量的增加，電主軸溫升下降，但是只有當(dāng)冷卻流量較小時，增加冷卻流量對于溫升的降低效果比較明顯，隨著冷卻流量不斷增加，冷卻效果也在減小。因此，可以結(jié)合不同工作條件，選取最*冷卻流量以實現(xiàn)經(jīng)濟性和使用性能最*。

 5 冷卻水初始溫度對溫升的影響

在室溫為 23°C ，轉(zhuǎn)速為 30000rpm 和 60000rpm，冷卻流量分別為 1L / min 的使用條件下，對不同電主軸冷卻水進口溫度( 16°C ～ 32°C ，以 1°C 遞增) 條件下，進行理論計算并采用熱電偶同時測量電主軸前后軸承外圈溫度如圖 8 所示。

冷卻水進口溫度對電主軸溫度影響理論結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，隨著冷卻水進口溫度升高，電主軸軸承溫度升高，并且二者呈線性比例關(guān)系。因此，冷卻水進口溫度對于電主軸溫度影響比較明顯，調(diào)節(jié)冷卻水進口溫度對于調(diào)節(jié)電主軸整體溫度以使各零部件保持最*基礎(chǔ)工作溫度非常重要。