臥式鏜銑加工中心的主軸箱整體溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比
5.3機(jī)床主軸箱整體溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比在本文上述環(huán)節(jié)中，通過(guò)分析主軸熱源、初始條件以及邊界條件等因素，計(jì)算得 出了主軸、ZF減速箱、主軸箱等部件的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、瞬態(tài)溫度場(chǎng)以及相應(yīng)的熱-結(jié)構(gòu) 耦合分析結(jié)果，本節(jié)主要通過(guò)跑車試驗(yàn)，對(duì)特定溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況進(jìn)行測(cè)量， 并與有限元溫度場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因。主軸箱測(cè)溫布點(diǎn)如圖5.11所示，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1，2，3, 4，分別對(duì)應(yīng)主軸1，2，3,4號(hào)軸承位置的溫度傳感器。測(cè)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(wěn)定 性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200?650°C)最常用的一種溫度檢測(cè)器，不 僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)（涵蓋國(guó)家和世界基準(zhǔn)溫度）供 計(jì)量和校準(zhǔn)使用。STT-T系列溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導(dǎo)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(shè)備、流體管道等溫度的測(cè)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(chǎng)跑車實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比結(jié)果如圖5.13至圖5.16所示，將 每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的兩個(gè)值放入到同一個(gè)圖表中進(jìn)行對(duì)比。由曲線對(duì)比可以可看出，實(shí)驗(yàn)測(cè) 得數(shù)據(jù)存在一些變化較大的點(diǎn)，這是因?yàn)閷?shí)際溫度測(cè)量試驗(yàn)測(cè)得值受到跑車實(shí)驗(yàn)工 況、數(shù)據(jù)顯示、測(cè)量誤差等因素的影響，但是每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值與仿真值的變化趨勢(shì)基本吻合；另外，實(shí)驗(yàn)值高于仿真值，這是因?yàn)?，在仿真分析中，一方面，采取了?jiǎn) 化細(xì)小零件以及忽略次要特征等手段來(lái)簡(jiǎn)化模型，使仿真模型在質(zhì)量以及形狀上與實(shí) 際跑車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀辛瞬町?；另一方面，在仿真中，?duì)流系數(shù)反映的僅僅是空氣在主軸 箱外壁高溫作用下的流動(dòng)，而在實(shí)際情況中，空氣的自然流動(dòng)會(huì)帶走一部分熱量；所 以，上述兩點(diǎn)造成了實(shí)驗(yàn)值與仿真值的差異。表5.1各溫度測(cè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與仿真值 U&/V 時(shí)間/t 測(cè)點(diǎn)1 測(cè)點(diǎn)2 測(cè)點(diǎn)3 測(cè)點(diǎn)4 模擬值 實(shí)驗(yàn)值 模擬值 實(shí)驗(yàn)值 模擬值 實(shí)驗(yàn)值 模擬值 實(shí)驗(yàn)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(yè)） 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(jié)果可以看出，主軸、減速箱以及主軸箱等都具有熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，雖然在兩 側(cè)具有局部結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致溫度場(chǎng)在兩側(cè)有細(xì)小的差異，但是總體呈現(xiàn)熱對(duì)稱的溫 度場(chǎng)分布結(jié)果。雖然溫度最高處出現(xiàn)在減速箱上，但是，一方面，減速箱通過(guò)與主軸 箱的接觸將熱量傳遞過(guò)來(lái)，溫度己經(jīng)產(chǎn)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(jìn)行熱對(duì)流，與主軸箱沒(méi)有接觸；另一方面，主軸通過(guò)主軸軸承與 主軸箱進(jìn)行連接，而減速箱的安裝位置距離主軸軸承位置較遠(yuǎn)，所以，減速箱發(fā)熱對(duì) 主軸溫度場(chǎng)影響較小。所以，在進(jìn)行主軸箱整體溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，只選取了主軸上 四個(gè)軸承安裝位置進(jìn)行考察。1、2、3、4號(hào)軸承仿真值溫度上升趨勢(shì)基本相同，與實(shí) 驗(yàn)測(cè)得值基本吻合，存在一定誤差；在達(dá)到熱平衡時(shí)，3號(hào)軸承位置的溫度最高。探宄溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果出現(xiàn)的誤差，可以歸納為以下幾個(gè)方面的原因:(1)在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)主軸箱部件模型進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，雖然達(dá) 到減少分析單元以及網(wǎng)格、節(jié)省計(jì)算時(shí)間的目的，但是，也會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)的分析結(jié)果產(chǎn) 生影響，因?yàn)?，主軸箱上細(xì)小的零件以及次要的特征在有限元分析過(guò)程中被簡(jiǎn)化掉了， 但是在實(shí)際情況中，細(xì)小特征會(huì)對(duì)整體溫度場(chǎng)產(chǎn)生一定程度的影響，小零件也會(huì)與主 軸進(jìn)行熱量的傳遞。(2)在有限元分析過(guò)程中，邊界條件的設(shè)定是理想化的。比如，熱對(duì)流系數(shù)設(shè) 定為線性，而在實(shí)際情況中，對(duì)流系數(shù)的變化非常復(fù)雜，并不是單一的線性變化；另 外，機(jī)床表面與空氣的熱對(duì)流，仿真中認(rèn)為是機(jī)床對(duì)空氣加熱使空氣發(fā)生流動(dòng)，從而 帶走熱量，而在實(shí)際情況中，這只是空氣流動(dòng)的次要原因，主要原因是車間整體環(huán)境 中的空氣流動(dòng)迫使機(jī)床表面與空氣進(jìn)行持續(xù)的熱對(duì)流交換；再有，在仿真分析中，初 始條件以及后來(lái)的環(huán)境溫度一直設(shè)定為穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)，但是實(shí)際情況中，由于車間 內(nèi)自然風(fēng)以及通風(fēng)系統(tǒng)等因素的作用，機(jī)床所處的環(huán)境并不是穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)。(3)在機(jī)床跑車實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所處的環(huán)境比較復(fù)雜，周圍熱源等因素也會(huì) 對(duì)熱對(duì)流環(huán)境甚至機(jī)床本身的熱對(duì)流產(chǎn)生一定的影響。(4)在仿真試驗(yàn)中，主軸設(shè)定為是持續(xù)一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的，而在實(shí)際的跑車試驗(yàn) 中，在中間會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)方向的反轉(zhuǎn)。(5)仿真分析的測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)結(jié)果讀取位置并不一定與主軸箱溫度傳感器的位置 絕對(duì)一致。(6)在邊界條件中冷卻液的設(shè)定過(guò)程中，是根據(jù)潤(rùn)滑油的流量，將實(shí)際情況中 的潤(rùn)滑油間歇性噴發(fā)等效為仿真分析中的持續(xù)加載情況的，所以，仿真分析與實(shí)驗(yàn)在 邊界條件的設(shè)定上也存在偏差。雖然仿真模擬分析與實(shí)測(cè)值之間存在誤差，但是通過(guò)探宄誤差出現(xiàn)原因可以看 出，通過(guò)修正、優(yōu)化有限元分析模型可以取得相對(duì)精確的模擬結(jié)果。所以，仿真結(jié)果 可用，對(duì)減小機(jī)床熱誤差以及機(jī)床冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考意義。5.4本章小結(jié)本章基于上述機(jī)床主軸箱部件的有限元分析溫度場(chǎng)分析結(jié)果，得到了主軸箱整體 的溫度場(chǎng)結(jié)果。并選取了溫度測(cè)點(diǎn)，接下來(lái)通過(guò)主軸箱跑車試驗(yàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行 了實(shí)測(cè)，得到對(duì)比分析結(jié)果，并分析了對(duì)比結(jié)果出現(xiàn)的誤差原因，總結(jié)仿真結(jié)果可用， 具有一定的參考意義。