Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор современного состояния автоматизированного проектирования шпиндельных узлов технологического оборудования. цель и задачи исследования 8
1.1. Факторы, влияющие на работоспособность шпиндельных узлов 8
1.2. Трансформация моделей и методов расчета шпиндельных узлов и их 14 опор
1.3. Автоматизированное проектирование шпиндельных узлов 23
1.4. Постановка задачи исследования 25
1.5. Выводы по главе 1 26
2. Математические модели шпиндельных узлов 28
2.1. Комплексный подход к расчетам шпиндельных узлов 28
2.2. Упругодеформационная модель шпиндельных узлов 32
2.3. .Динамическая модель шпиндельных узлов 38
2.4. Основы теории теплопереноса применительно к высокоскоростным ШУ
2.5. Выводы по главе 2 51
3. Исследование термальных режимов шпиндельных узлов текстильных станков. экспериментальные исследования 53
3.1. Предмет эксперимента 53
3.2. Описание методов эксперимента 55
3.2.1. Конструкция шпиндельного узла 55
3.2.2. Принцип эксперимента 57
3.2.3. Оборудование для эксперимента 58
3.3. Измерения 63
3.4. Анализ и обсуждение результатов измерения 72
3.4.1. Анализ результатов измерения подшипника 1 74
3.4.2. Анализ результатов измерения подшипника 2 76
3.5. Выводы по разделу 3 77
4. Анализ теплового состояния шу для текстильного производства: исследования с целью повышения быстроходности 79
4.1. Предмет исследования 79
4.2. Ход исследований 81
4.2.1. Выбор ключевого компонента 82
4.2.2. Опоры ШУ 82
4.2.3. Параметры, влияющие на опоры 84
4.3. Определение изменяемых параметров 86
4.4. Анализ распределения тепла (как изменяемого параметра) 86
4.4.1. Распределения тепла в подшипниках 86
4.4.2. Характеристическое поведение подшипников ВСШУ и увеличение быстроходности
4.5. Определение запаса увеличения скорости 90
4.5.1. Потенциал скоростей системы опор в ВСШУ в области применения низких нагрузок
4.6. Способы воздействия на разность температур dT и принципы конструирования ШУ с учетом dT
4.6.1. Известные варианты конструкции ШУ 95
4.6.2. Улучшенные варианты конструкции ШУ (экспериментальный 97 ШУ)
4.7. Источник тепла, теплоперенос и моделирование шпиндельных узлов 99 4.7.1. Моделирование теплопередачи в высокоскоростных ШУ 100
4.8. Анализ предлагаемой схемы системы охлаждения (теплоотвода) 105
4.8.1. Оценка эффективности 105
4.8.2. Ожидаемая быстроходность рассматриваемого ШУ 110 Заключение 121 Основные выводы и результаты работы 124
Литература
- Факторы, влияющие на работоспособность шпиндельных узлов
- Упругодеформационная модель шпиндельных узлов
- Конструкция шпиндельного узла
- Характеристическое поведение подшипников ВСШУ и увеличение быстроходности
Введение к работе
Для современного производства характерна тенденция постоянного повышения производительности. Рост производительности технологического оборудования обуславливает увеличение скорости вращения и как следствие повышение мощности и постоянное повышение точности. Вместе с тем станкостроение требует преемственности конструктивных решений ввиду консервативности производства (например, в текстильной промышленности). В этом случае применение принципиально новых решений становится экономически нецелесообразным, так как потребитель продукции не готов к полному переоборудованию станочного парка (например, замена шпиндельного узла (ШУ) с опорами качения на ШУ с гидростатическими опорами). Вместе с тем современные автоматизированные системы комплексного расчета технологического оборудования (ТО), в частности ШУ, являются сложными иерархическими системами. Их проектирование является сложной комплексной задачей, для создания которой необходимы объединений усилий инженеров и техников, а также огромные затраты ресурсов. В условиях рыночной экономики разработка новых автоматизированных систем из-за больших экономических затрат многими специалистами ставится под сомнение. Поэтому при совершенствовании и модернизации существующего оборудования наиболее перспективно использовать существующие системы с расширением их для решения задач, например, теплопереноса. Кроме того, аналитические методы не всегда удовлетворяют требуемой точности в оценке реального объекта. Поэтому автоматизированные системы проектирования должны быть дополнены системами оценки экспериментальных данных на реальных объектах. В этой связи возникает задача создания комплексных автоматизированных систем проектирования с использованием в них аналитико-экспериментальных подсистем. В этом случае приходится искать пути увеличения производительности за счет модернизации существующих конструкций ШУ и решения проблем, связанных с увеличением производительности. Это достигается путем разработки автоматизированных систем проектирования и конструирования новых изделий. В этой связи актуальной становится задача исследований на основе автоматизированной системы характеристик работоспособности конструкции ШУ и выявления ресурсов для повышения быстроходности (исследование статических и динамических характеристик характера тепловыделений и решение общей задачи увеличения производительности).
В настоящее время возникла необходимость в разработке средств и методов модернизации высокоточных ШУ направленных на повышение общей производительности и надежности технологических машин.
Достижение высоких показателей предполагает автоматизированное проектирование ШУ, основанное на статистическом обобщении опыта эксплуатации и экспериментального исследования, а также на методах проектного поиска с использованием современного математического аппарата. В этом состоит актуальность работы.
Цель и задачи работы
Целью работы является повышение эффективности работы шпиндельных узлов и снижение потерь при модернизации технологического оборудования на основе автоматизированной системы поддержки конструкторских решений, с использованием аналитико-экспериментальных подсистем.
Для осуществления данной цели необходимо решение следующих задач:
Разработать комплексный подход к моделированию шпиндельных узлов на опорах качения.
Разработать математические модели шпиндельного узла учитывающие энергетические потери, возникающие в процессе эксплуатации и на основе этого автоматизированную экспериментально-аналитическую систему поддержки решений.
Проверить и оценить эффективность проектных решений, направленных на уменьшение энергетических потерь и разработать практические рекомендации, направленные на повышение качества шпиндельного узла.
Научная новизна диссертации заключается в выявлении существа функциональных связей между параметрами, определяющими производительность ШУ с одной стороны и совокупности размерных, силовых, физико-механических и термических факторов с другой, и разработка на этой основе методов модернизации оборудования.
На защиту выносятся:
комплексная модель взаимодействия деталей ШУ на опорах качения;
температурная модель шпиндельного узла, учитывающая потери, возникающие в процессе эксплуатации;
информационная модель количественных оценок влияния энергетических потерь на характеристики шпиндельного узла.
Методы исследования
Выполненные работы базируются на теоретических и экспериментальных методах исследования основных характеристик шпиндельного узла в целом и его составляющих. Использовались фундаментальные законы теоретической механики, физики, численных методов, метода конечных элементов. Полученные результаты подтверждаются результатами натурных испытаний и практикой эксплуатации шпиндельных узлов с опорами качения.
Практическая полезность заключается в:
- создании методол о го-ал го ритмического и программного обеспечения для определения энергетических и тепловых потерь возникающих в процессе эксплуатации, направленного на повышение эффективности автоматизированного проектирования при модернизации узлов технологического оборудования.
Разработанное программное обеспечение используется при модернизации конструкций шпиндельных узлов с опорами качения, что дает возможность создавать узлы с заданными характеристиками работоспособности.
Апробация работы
Научные результаты работы докладывались на научных конференциях, в том числе: Международной конференции - КТИ 2000, на семинарах кафедры ОШ МГТУ«СТАНКИН».
Публикации по работе
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (94 наименования). Объем диссертации 124 стр., 60 рис.
Факторы, влияющие на работоспособность шпиндельных узлов
В данном разделе работы на основе анализа известных трудов по общей теории расчета шпиндельных узлов с опорами качения осуществлена постановка разрабатываемой автором проблемы и сформулирована общая цель и вытекающие из нее задачи исследования.
Основные требования к ШУ с опорами качения и собственно к опорам сформулированы в работах М. Века, А. Джонса, З.М. Левиной, Г. Лундберга, А. Пальмгре-на, С.В.Пинегина, В.Э. Пуша, Д.Н. Решетова, A.M. Фигатнера, А.В. Пуша, И.А. Зверева и других ученых на основе общих требований к металлорежущим станкам. ШУ должны обеспечивать заданную мощность, иметь высокую точность вращения в сочетании с высокой быстроходностью, а также, жесткость, нагрузочную способность и долговечность подшипников, ограниченные тепловыделения в опорах и тепловые деформации, быть технологичными, экономичными и надежными.
В подавляющем большинстве исследований [2, 5, 17, 27, 30, 32, 33] рассматриваются следующие основные показатели работоспособности ШУ и их опор: - квазистатическая и динамическая точность вращения; - быстроходность; - несущая и нагрузочная способность; -долговечность; - статическая и динамическая жесткость; - энергетические потери и нагрев опор.
Точность вращения шпинделей. Является важнейшей характеристикой ШУ, в значительной мере определяющей точность обработки изделий на станке. С точностью вращения шпинделя связаны регламентированные метрологические проверки, в первую очередь, отклонение от круглости, погрешности формы, отсутствие овальности, постоянство диаметра в поперечном сечении (точность формы, волнистость).
Точность вращения шпинделя зависит от точности изготовления и сборки подшипников и сопряженных с подшипниками деталей ШУ, от регулировки подшипников и от частоты вращения шпинделя. Решающей предпосылкой для производства прецизионных ШУ является соответствие точности вращения подшипников с требованиями к точности ШУ [30].
Квазистатическая точность вращения шпинделей (при медленном вращении) регламентируется Государственными стандартами на станки. При этом нормируют следующие параметры: радиальное биение: центрирующей шейки шпинделя, конического отверстия шпинделя, оправки, установленной в коническом отверстии шпинделя, осевое биение шпинделя; торцовое биение опорного бурта шпинделя.
Динамические смещения мгновенной оси вращения шпинделя под действием возмущений от опор и привода формируют динамическую точность вращения шпинделя [4, 30, 31], которая в настоящее время не регламентируется, что обусловлено высокими требованиями к техническим средствам для ее измерения. Спектральный анализ динамической точности вращения шпинделя позволяет давать дифференцированную оценку частотным составляющим, по-разному влияющим на формирование погрешностей обрабатываемой детали [30]. Так, составляющая с частотой вращения шпинделя (биение шпинделя) вызывает в основном погрешности размеров и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей. Другие частотные составляющие вызывают погрешности формы и микропрофиля обрабатываемых поверхностей (волнистость, шероховатость).
Требования к быстроходности шпинделей определяются целевым назначением и особенностями станков [5, 28, 30].
Показателем быстроходности шпинделя служит произведение (d-n), где d средний диаметр передней опоры, п - максимальная частота вращения. Быстроходность зависит от типа шпиндельных подшипников, вида и способа их смазки и охлаждения [5, 30].
Для среднескоростных ШУ, как правило, не принимают специальных мер для обеспечения присущих им достаточно высоких скоростей с показателем d-n 0,4-0,5-106MM-MHH"\ Благодаря специальным мерам (совершенствование смазки и охлаждения, балансировка шпинделя и др.) значения d п могут быть увеличены до 1,5 -2,5 10 мм-мин"1 [30, 36].
Большая работа ШУ в сильной степени зависит от диапазона регулирования числа оборотов. При конструировании узлов, работающих в широком диапазоне чисел оборотов, возникают проблемы, связанные с нестабильностью температуры опор и соответственно изменениями величины зазора-натяга [30].
Требования к несущей и нагрузочной способности. Несущая способность опор характеризуется динамической (С) и статической (Со) грузоподъемностью подшипников, которые указываются в каталогах. Допускаемые опорами качения нагруз ки ограничены в основном выносливостью поверхностных слоев колец и тел качения и определяются расчетом на выносливость [5, 30].
Несущая способность опор ШУ, выбранных по критерию жесткости, как правило, соответствуют требованиям, предъявляемым к шпиндельным опорам станков. Исключение составляют шпиндельные опоры тяжелых станков. В таких узлах иногда применяют подшипники с особо высокой несущей способностью, например, упорные роликоподшипники со сфероконическими роликами [5, 32].
Под нагрузочной способностью ШУ понимаются допускаемый крутящий момент или мощность на шпинделе, которые определяются в основном возможностями привода и нагрузочной способностью шпиндельных опор. В качестве показателя нагрузочной способности принято отношение N/d, где N - мощность привода, d -диаметр передней шейки шпинделя. Для высокоскоростных электрошпинделей этот показатель составляет 0,7-0,8 кВт/мм, в ШУ токарных и фрезерных станков отношение N/d обычно 0,2-0,3 кВт/мм [30, 36].
Долговечность шпиндельных опор. Поскольку размеры шпинделей выбирают в основном по критерию жесткости, то расчетная долговечность опор по усталости многократно превышает допускаемую и расчет на долговечность, как правило, имеет условный характер. Ресурс прецизионных подшипников качения обусловлен в большинстве случаев потерей точности вращения в связи с износом и разрегулировкой опор (по данным фирмы FAG [36], выход подшипников из строя из-за усталостного разрушения наблюдается в 10-15% случаев). Оценка долговечности подшипников качения по износу и методика их ускоренных испытаний в настоящее время -не решенная научная проблема [32]. В значительной мере ресурс подшипников зависит от качества их изготовления и монтажа, однако и этот вопрос изучен недостаточно.
В связи со сказанным, долговечность опор качения ШУ по критериям усталостных повреждений и по износу специальной регламентации не подвергается. Однако, в связи с увеличением быстроходности и, как следствие, значительным ростом инерционных нагрузок на тела качения в подшипниках (соизмеримыми с нагрузками от резания) в некоторых случаях обеспечение долговечности шпиндельных опор может стать серьезной проблемой [18, 30].
К настоящему времени, в практике проектирования и производства ШУ с опорами качения принята расчетная долговечность опор для обычных узлов порядка 20.000 часов, быстроходных - 10.000-12.000 часов, сверхбыстроходных - 5.000 часов [33].
Упругодеформационная модель шпиндельных узлов
Если задавать слишком малое значение погрешности є, то существует риск ненахождения решения задачи из-за погрешностей вычисления и дискретного характера процесса итераций [30]. Поэтому выбор первого приближения А1 и погрешности решения є проводился на основе результатов зондирующих вычислительных экспериментов.
Установлено, что достаточное условие: Ф(Д; 8 = 0,01-Р (2.5) где Р - норма вектора внешней нагрузки, может быть удовлетворено за 7 - 12 итераций, при выборе в качестве первого приближения вектора А,, соответствующего такому деформированному состоянию ШУ, при котором преднатяг в подшипниках составляет 5-Ю мкм.
Учет особенностей конструкции и условий эксплуатации шпиндельного узла. Упругодеформационные свойства ШУ зависят как от конструкции ШУ, так и от условий его эксплуатации: внешней нагрузки; частоты вращения; величины и способа создания предварительного натяга в опорах; температурных деформаций, износа опор [30]. Учет особенностей конструкции ШУ обязательно включает: - учет компоновки, схемы установки подшипников и геометрии ШУ; - учет посадки колец подшипников на шпиндель и в корпус; - учет способа создания преднатяга {жесткий или пружинный). Компоновку ШУ, геометрию деталей, схему расположения опор учитывают при построении расчетной схемы узла (рис. 2.1 и рис, 2.3).
Способ установки подшипниковых колец на шпинделе и в корпусе учитывают при назначении осевой, радиальной и угловых жесткостей для соответствующего типа элемента [30]. Если посадка кольца скользящая, т.е. имеется возможность осевых перемещений кольца относительно шпинделя или корпуса (рис. 2.5, а), то в расчетной схеме этому соответствует то, что осевая жесткость элемента равна нулю. Закрепление кольца учитывается введением дополнительной пружины-связи 1-3 (рис. 2.5, б). Аналогично учитывается закрепление колец в радиальном и угловом направлениях.
Создание преднатяга с помощью пружин (рис. 2.1, схемы 1, 2 и 7) обеспечивает постоянство осевой нагрузки, приложенной к подшипнику, что непосредственно учитывается при формировании вектора Р внешних нагрузок.
Создание преднатяга с помощью жестких крышек, стопорных гаек и втулок обеспечивает геометрическое осевое замыкание элементов ШУ и учитывается в два этапа (рис. 2.6). На первом этапе определяют деформированное состояние системы Ан после создания в ней преднатяга от внешних осевых нагрузок + Р4 и - Рб в узлах 4 и 6 и решения системы: [K].AH+R(AH) = PHl (2.6) где Рн - вектор нагрузок с учетом сил натяга + Р4 и - Р6 (рис. 2.6, а)
На втором этапе расчета в систему включают дополнительную связь 4-6 -осевую пружину (рис. 2.6, б), отражающую наличие стопорной гайки, и глобальная матрица жесткости [К.] принимает вид: [кЫк]+[к]4_б1 (2-7) где [к]4„6 - расширенная матрица жесткости дополнительной связи 4-6. Уравнение равновесия ШУ с учетом геометрического натяга Ан в опорах: [K] -A + R(A + AH) = P, (2.8) где [Kj - матрица жесткости линейно-упругой части системы с учетом дополнительных связей; R(A + Ан ) - реакция подшипников с учетом усилий преднатяга; Р вектор внешних узловых нагрузок без учета сил преднатяга, поскольку эти силы, после введения дополнительных связей, становятся внутренними и воспринимаются дополнительными связями; А- вектор неизвестных узловых перемещений.
Наличие погрешностей изготовления и сборки подшипников, температурных деформаций и износа приводит к тому, что даже при отсутствии внешней нагрузки кольца подшипников смещены относительно друг-друга на вектор А0, характеризующий действие указанных факторов. Общее уравнение равновесия ШУ в этом случае: [K]-A + R(A + AH+A0)=P, (2.9) где А0 - вектор узловых перемещений, определяемый дефектами опор.
Учет влияния частоты вращения основывается не на изменении состояния А0 опор, а на изменении уравнений, определяющих упругодеформационные характеристики подшипников, которые рассмотрены в следующих разделах. Для рассматриваемого шпиндельного узла с учетом вышеизложенного упру-годеформационная расчетная схема ШУ будет выглядеть следующим образом (рис. 2.7).
Конструкция шпиндельного узла
Измерения проводились в лаборатории текстильных станков в Западной Германии.
ШУ установлен одним концом к испытательному стенду, который в свою очередь находится вблизи станка. Частота собственных колебаний стенда существенно ниже частоты колебаний ШУ и не влияет на поведение системы и результаты.
Для исследования температурных режимов ШУ запускается на нескольких предопределенных режимах. Эти режимы отмечаются заданными точками. Фиксируется каждое состояние до достижения температурной стабильности.
Для ведения наблюдений за температурой ШУ оснащен термодатчиками в различных точках (рис. 3.4). Температуры в этих точках и температура окружающей среды затем учитываются при достижении стабильного состояния. Точки измерения Условия нагрузки: привод при неполной нагрузке, без дополнительных сил; привод при полной нагрузке, без дополнительных сил; - привод при полной нагрузке, с радиальной силой приложенной к катушке. На поверхности катушки во всех измерительных точках температура равна 200С.
Скорость вала меняется в интервале от 24 до 145 Гц (в принятой автором терминологии угловая скорость вала измеряется в Гц, что соответствует об/сек, соответственно для заданного интервала - 1440 до 8700 об/мин"1.), измеряется в нескольких точках.
Измерения стабильных температурных состояний Расположение точек измерений: температура окружающей среды (ОС); - температура корпуса; - температура статора мотора; - температура внутреннего кольца подшипника (обе опоры); - температура внешнего кольца подшипника (обе опоры); - температура поверхности катушки.
Документация и представление результатов графическое представление изменений температуры в зависимости от частоты вращения вала; описание графиков.
Оборудование для эксперимента Стенд
Стенд представляет собой ШУ и нагрузочный привод (генератор) на одной оси, соединенных сцеплением (муфтой) со встроенным измерителем момента. Двигатель и генератор управляются конвертерами частоты, скорость вращения ШУ контролируется системой обратной связи. Следует отметить, что радиальная сила, действующая на катушку, не влияет на нагрузочный привод.
Каждый датчик соединен с усилителем и самописцем. Принципиальное размещение оборудования приведено на рис. 3.5.
Поскольку частота потока вращения /еИ пропорциональна частоте вращения вала двигателя fmot(3.2), то J field J тої \У ) скорость вала двигателя является переменной при управлении двигателя с помощью понижающего конвертера частоты [67]. В этом случае удобно описывать частоту вращения системы «привод-нагрузка» как частоту вращения вала двигателя, который при данной конструкции ШУ является и валом ШУ.
Встроенный асинхронный двигатель переменного тока в ходе эксперимента будет работать в двух режимах нагружения, которые соответствуют прикладному применению ШУ. Нижняя граница диапазона испытаний задается типичной минимальной скоростью процесса и составляет частоту вала в 24 Гц. Верхний предел получается из максимально допустимого безопасного устойчивого температурного режима, и соответствует частоте 145 Гц.
В зависимости от типа нитей и положения ШУ в станке определяются условия нагрузки. Обычно момент меньше 2.2 Н-м во всем диапазоне скоростей.
Максимальный момент до 7,5 Н-м может быть получен при скоростях вала от 24 до 120 Гц. Выше 120 Гц требуемая мощность может быть задана как константа, поэтому момент двигателя падает в отношении 1Я. Исходя их этих соображений, выбираются режимы нагрузки для эксперимента. Диапазон значений представлен на рис. 3.7. Измерение происходит на валу измерителя момента.
Результаты расчета представлены на рис. 3.8. Дополнительно из этого графика становится понятна необходимость постоянной мощности при полной нагрузке между 120 и 145 Гц.
Характеристическое поведение подшипников ВСШУ и увеличение быстроходности
Основываясь на законах теплопередачи в технических системах и путях моделирования процессов теплопереноса, мы попытаемся перечислить источники тепла в высокоскоростных ШУ вместе с типичными механизмами теплопереноса.
Источники тепла в высокоскоростных ШУ будут классифицированы, используя общепринятую терминологию сборочных единиц (см. анализ теплового состояния):
- обрабатывающий инструмент. Под обрабатывающим инструментом могут быть поняты инструментальные средства для обработки на станке, подобные тем, которые используются, например, во фрезерных станках, а также в других областях, например, в текстильном производстве. Вообще инструмент может быть представлен как вращающаяся часть (деталь) в газообразной среде (главным образом). Температурный источник может быть пассивным, как результат механического и газового трения, типичного для обработки на станке. Также источник может быть активным, например, когда речь идет о текстильных процессах, где используются системы нагрева инструмента. Теплопередача, влияющая на ШУ, произойдет в любом случае путем проводимости, конвекции (в зависимости от граничных условий и более развитой в активных системах нагрева), и, в меньшей степени, излучением;
- вал. Вал ШУ можно представить как вращающийся цилиндр, главным образом, в газообразной среде. В некоторых случаях жидкая среда дополнительно прокачивается сквозь вал. Вследствие особых характеристик геометрии поверхности возникает трение, и, как следствие, выделение тепла. По сравнению с другими источниками теплоты, этот вид теплопередачи часто может быть вторичен при рассмотрении. С другой стороны, вала действует как проводник тепла от одних узлов к другим узлам, вызывает конвекцию, и в, меньшей степени, излучение, которое в основном опускают при расчетах;
- привод. Обычно интегрированные электрические машины имеют потери электроэнергии в статоре и роторе [62] (даже в современных приводах, управляемых преобразователями частоты) в результате модуляции волны синуса [85]. В зависимости от типа двигателей, используются системы активного охлаждения с газообразными или жидкими охлаждающими средами. Например, используются системы с принудительной прокачкой воздуха через двигатель (асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока). Учитывая все вышесказанное, можно сказать, что двигатель является основным источником тепла. Теплопередача происходит путем проводимости, конвекции и незначительного излучения. Неоднородность материала, из которого сделан электродвигатель, усложняет моделирование и предварительные вычисления [74];
- опоры. В качестве опор в высокоскоростных ШУ обычно используются шариковые подшипники, В этом случае источником тепла является трение между шариками, дорожками качения и смазочным материалом. Сами по себе шарики вращаются в газообразной среде. Основным механизмом теплопереноса [75] может быть названа проводимость, в меньшей степени конвекция (из-за сравнительно малых площадей поверхностей, но главным образом потока турбулентного воздуха в опоре). Как и в предыдущих случаях, излучение не оказывает существенного влияния. Последние моделирования тепловых процессов показало особенно хорошие результаты при объединенном рассмотрении смазочного материала и его характеристического поведения в контакте скольжения [81];
- корпус. Корпус обычно не может служить источником тепла, но может являться пассивным проводником теплота в окружающую среду. Это может отражаться в элементах ШУ и условиях эксплуатации, в зависимости от конструкции станка. Таким образом, теплопередача происходит путём проводимости и конвекции, распределяемой в прилегающих частях ШУ и окружающей среде;
- дополнительные узлы. Из-за того, что подобные узлы зависят от конкретной конструкции ШУ, их роль в процессе теплопередачи может быть признана незначительной. Вследствие этого в нашей работе они не рассматриваются. Однако они влияют на остальные элементы сборки, например, поток воздуха от вентилятора охлаждения влияет на привод, и т.д.
Моделирование теплопередачи в высокоскоростных ШУ Моделирование теплопередачи в ШУ представляет собой мощный инструмент для проверки экстраординарных условий, влияния граничных условий или характеристических свойств узлов (компонентов) ШУ, а также помогают предотвратить затраты и сэкономить время на разработку ШУ. Вот почему моделирование используется для исследования новых концепций ШУ, развития, проектирования или даже для квалифицированной работы по устранению недостатков.
Вопросы теплопередачи в ШУ требуют эффективных программных средств расчёта, поскольку имеют дело с довольно сложными геометрическими, материаловедческими и тепловыми характеристиками узлов ШУ. Как было описано выше, программно-вычислительные средства базируются на различных методах моделирования. Поэтому, при анализе вопросов теплопередачи, требуется сначала определить желаемый результат, а затем выбирать подходящий метод моделирования.
В целом, можно выделить 2 принципа вычислений - статическое и динамическое вычисление. Для шпиндельных головок более важным представляется статическое вычисление, которое представляет стационарное состояние узла при определенных граничных условиях. В дальнейшем при рассмотрении мы можем выделить локальные механизмы теплопереноса, например, контакт опоры скольжения, установленной в ШУ [81], или интегрированные расчеты ШУ, касающиеся ШУ в целом [86], основанные на методе конечных элементов (МКЭ), или, основанные на замещении тепловой схемы электрической [74].
Если требуется гибкость, то расчеты модели ШУ по МКЭ, подготовленной в системе автоматизированного проектирования как твердотельной модели, могут дать неплохие результаты (рис. 4.20-4.22).
Однако качество моделирования зависит от возможности определить граничные условия и от математических методов, использованных в том или ином программном обеспечении для расчета по МКЭ. Результаты расчетов представляются в графической форме и поэтому есть возможность быстро оценить тепловые потоки, их источники и распространение тепла.
В любом случае рекомендуется, а иногда и является необходимым подтверждать полученные в результате расчётов данные путем измерений, сделанных при тех же условиях, при которых производились расчеты.
Таким образом, появляется возможность убедиться в правильности модели или произвести ее корректировку (в соответствии со статическими или динамическими условиями).
С помощью программы САПР/КЭМ «I-DEAS» была создана модель для анализа теплового состояния ШУ. Результаты были использованы для предварительного изучения теплового состояния ШУ без учета потерь в опорах. Эти расчеты были проведены затем, чтобы оценить влияние теплорассеяния от инструмента и электродвигателя.
САПР и КЭМ модели, учитывающие систему опор, были позже рассчитаны с помощью САПР системы «Solid-Works», как указывается в главе «анализ теплового состояния». Также можно показать эти модели совместно с результатами для того, чтобы проиллюстрировать тот факт, что наибольшее влияние система опор испытывает от самого подшипника.
