衡鳳琴　黃　智　許　可　王正杰　王立平

(電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

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某重型立車靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱特性分析與實(shí)驗(yàn)研究*

衡鳳琴黃智許可王正杰王立平

(電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

以某重型立式車床靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對象，通過ANSYS Workbench建立油膜-轉(zhuǎn)臺(tái)這一流固耦合模型，探討不同轉(zhuǎn)速條件下，因油膜的摩擦發(fā)熱導(dǎo)致的轉(zhuǎn)臺(tái)溫度場及熱變形場的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明：油膜封油邊處溫升最大，在轉(zhuǎn)速低于20 r/min時(shí)，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形隨轉(zhuǎn)速的增加而緩慢增大；在轉(zhuǎn)速高于35 r/min，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形隨轉(zhuǎn)速的增加迅速增大。同時(shí)對不同工況下的油膜溫升進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，與封油邊油膜瞬態(tài)溫度仿真結(jié)果能夠較好地吻合，轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣軸向熱變形與徑向熱變形測試結(jié)果與仿真結(jié)果的變形方向及趨勢是一致的。研究結(jié)果為進(jìn)一步分析重型立車運(yùn)行過程中的熱誤差控制及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

重型立車靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)；溫度場；熱變形；實(shí)驗(yàn)分析

重型數(shù)控機(jī)床常用于加工大尺寸和復(fù)雜曲面工件，因而在國防工業(yè)、航空航天及核電工業(yè)等大件加工領(lǐng)域得到了極為廣泛應(yīng)用。 液體靜壓技術(shù)具有承載性能好、摩擦阻力小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到重型數(shù)控機(jī)床中。但是由于液壓油內(nèi)摩擦熱的產(chǎn)生，使得工作臺(tái)溫度的分布不均勻，產(chǎn)生復(fù)雜的熱變形，進(jìn)而對機(jī)床的加工精度有很大影響。因此研究靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形特性，揭示熱變形的規(guī)律，對于提高機(jī)床的加工精度及加工效率有重要意義。Nelias D和Seok-II Kim[1-2]對高精度無心磨床在加工過程中熱的形成及熱變形進(jìn)行了研究。A.G.Khlebov和I.L.Khlebova[3]利用拉普拉斯算法求解了能量方程和變形方程，最終得到壓力和負(fù)載作用下軸承的變形。M.Zhuravkov等人[4]考慮液體摩擦作用，在不同速度下對軸承的熱應(yīng)力場及變形場進(jìn)行了仿真分析。杜威[5]研究了矩形和工字形油腔的靜壓特性，仿真了溫升對重型龍門數(shù)控機(jī)床橫梁處的靜壓導(dǎo)軌變形量的影響。王智偉[6]等人建立了環(huán)形縫隙節(jié)流閉式油靜壓導(dǎo)軌的流固耦合模型，并分析了流固耦合對靜壓導(dǎo)軌變形量、動(dòng)靜剛度等的影響。江云[7]等人對超精密機(jī)床中液體靜壓導(dǎo)軌動(dòng)導(dǎo)軌在不同工作環(huán)境下做不同運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱變形進(jìn)行了仿真分析。Junpeng Shao[8]等人分析了輔助孔位置對旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的靜壓推力軸承熱變形場的影響規(guī)律，得出輔助孔應(yīng)安在距離工作臺(tái)最大或最小距離的3/10處。

根據(jù)對國內(nèi)外有關(guān)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)研究相關(guān)文獻(xiàn)分析可知，目前有關(guān)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形的研究主要側(cè)重于一般的中小型及高精密的數(shù)控機(jī)床，由于重型機(jī)床所處的環(huán)境變化及工況較之前者更為復(fù)雜，因此現(xiàn)在對于重型機(jī)床液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形定量化研究還存在諸多難題。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以某重型立式車床靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對象，利用有限元方法建立油膜與旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的流固耦合模型，采用Fluent數(shù)值仿真得到工作臺(tái)的溫度分布及不同轉(zhuǎn)速條件下工作臺(tái)的熱變形規(guī)律，同時(shí)對不同工況下的油膜溫升及轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)分析。

1　靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理及熱變形方程

1.1工作原理

靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)是利用專用的供油裝置，將具有一定壓力的潤滑油送到環(huán)形導(dǎo)軌的靜壓腔內(nèi)，形成具有壓力的潤滑油層，利用靜壓腔之間的壓力差，形成靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的承載力，將立車轉(zhuǎn)臺(tái)浮升并承受外載荷[8]。圖1所示為立車定量供油靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)工作示意圖，電動(dòng)機(jī)1帶動(dòng)定量泵2進(jìn)行供油，油從油箱9中抽出，經(jīng)過粗濾油器10和精濾油器3，將一定壓力的靜壓油經(jīng)進(jìn)油口4送到油腔11內(nèi)，利用油腔內(nèi)外的壓力差，將工作臺(tái)浮升，這時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)和底座之間的間隙為h，壓力油經(jīng)封油邊流出后經(jīng)回油路7及回油泵8流回油箱9中。

本文以齊重?cái)?shù)控裝備有限公司(以下簡稱齊重)某重型立車靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)為研究對象，其基本參數(shù)為：工作臺(tái)外徑4.5 m，設(shè)計(jì)最大承重工件32 t，工件最大切削力能達(dá)到50 kN。該轉(zhuǎn)臺(tái)采用了12個(gè)靜壓油墊，靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)是周期性對稱型，為便于計(jì)算，取轉(zhuǎn)臺(tái)的1/12作為研究對象，如圖2所示為簡化轉(zhuǎn)臺(tái)的3D模型，圖3為轉(zhuǎn)臺(tái)的有限元網(wǎng)格模型。

1.2靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的熱變形方程

靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程可看作是圓柱坐標(biāo)系中的導(dǎo)熱問題，應(yīng)用能量守恒定律可描述為：

(1)

靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的熱變形主要是由于轉(zhuǎn)臺(tái)溫度分布不均勻造成的。在考慮體積力作用下，將胡克定律擴(kuò)展到熱彈性力學(xué)，建立熱平衡方程，其表達(dá)式如下：

表1　扇形油墊的主要尺寸參數(shù)

表2　轉(zhuǎn)臺(tái)材料特性

2　熱變形計(jì)算的邊界條件

靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的熱源主要包括轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗的摩擦功率以及電機(jī)的發(fā)熱。在本文中重點(diǎn)考慮由于靜壓油膜的剪切摩擦發(fā)熱產(chǎn)生的溫升對轉(zhuǎn)臺(tái)變形場的影響，利用Fluent軟件通過流固耦合的方式仿真得到轉(zhuǎn)臺(tái)的溫度分布情況。油腔結(jié)構(gòu)采用扇形油腔，如圖4所示為油墊封油邊尺寸示意圖，a、b、c、d表示封油邊的4個(gè)縫隙區(qū)域，e表示油腔內(nèi)部區(qū)域，再進(jìn)行油墊封油邊流量、溫升等公式推導(dǎo)時(shí)會(huì)用到參數(shù)B1、B2、L1、L2。靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油墊的尺寸示意圖如圖5所示，主要幾何參數(shù)如表1所示。通過查詢機(jī)械工程材料手冊得到靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的材料特性參數(shù)，如表2所示，選用46號液壓油，靜壓油參數(shù)如表3所示。利用Pro/Engineer建立靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的三維幾何實(shí)體模型，再調(diào)入Fluent前處理器Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界類型的設(shè)定。油腔入口設(shè)置為恒流量入口，出口設(shè)置為壓力出口，同時(shí)設(shè)置周期對稱邊界條件。

表3　靜壓油的材料特性

3　靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)溫度場與變形場仿真分析

3.1溫度場仿真分析

如圖6～7所示分別為轉(zhuǎn)速為20 r/min和30 r/min時(shí)仿真的油膜穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖，在內(nèi)外封油邊處油膜溫升最高，轉(zhuǎn)速越大，封油邊溫升也越大。保持入口流量、溫度等其他條件相同，通過對不同旋轉(zhuǎn)速度條件下油膜溫升仿真，得到油膜溫升與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如圖8所示為仿真得到的封油邊處4個(gè)縫隙區(qū)域油膜溫升與轉(zhuǎn)速關(guān)系。

圖9為環(huán)境溫度為10 ℃，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)得到的轉(zhuǎn)臺(tái)的溫度分布情況。從轉(zhuǎn)臺(tái)的溫度分布情況可以看出，轉(zhuǎn)臺(tái)與油膜接觸位置有最高溫度為16 ℃，熱量從油膜接觸位置沿轉(zhuǎn)臺(tái)軸向和徑向傳導(dǎo)，半徑越大溫度越低。

3.2轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形仿真結(jié)果分析

進(jìn)行變形場仿真時(shí)利用ANSYS的Workbench模塊將Fluent中仿真得到的溫度分布作為載荷加載到ANSYS結(jié)構(gòu)場中進(jìn)行熱變形場的仿真。因?yàn)檗D(zhuǎn)臺(tái)屬于周期對稱，轉(zhuǎn)臺(tái)只有軸向和徑向的變形，在圓周方向的變形為0，所以需要設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)的周向位移約束。轉(zhuǎn)速為30 r/min條件下得到的仿真結(jié)果如圖10～12所示，圖10為轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向熱變形分布，圖11為轉(zhuǎn)臺(tái)的徑向熱變形分布，圖12為轉(zhuǎn)臺(tái)的整體變形情況。從轉(zhuǎn)臺(tái)變形場可以得到，轉(zhuǎn)臺(tái)呈邊緣向上翹曲中間凹陷的變形狀態(tài)，沿徑向方向熱變形呈逐漸增大的趨勢，最大熱變形在轉(zhuǎn)臺(tái)的邊緣處，轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣有最大軸向熱變形量為62 μm，轉(zhuǎn)臺(tái)徑向熱變形最大值在與油膜接觸位置，轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣徑向熱變形量約為19 μm。

對不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)臺(tái)的變形場進(jìn)行仿真，得到轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)臺(tái)最大熱變形量之間的關(guān)系，如圖13所示。從圖中可以看出，最大熱變形量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于35 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形隨轉(zhuǎn)速增加迅速增大。因此為了減小靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的熱變形，應(yīng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速在合適范圍內(nèi)，建議轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速在25 r/min以下。

4　靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形實(shí)驗(yàn)分析

前面利用流固熱耦合分析方法對油膜溫度場及轉(zhuǎn)臺(tái)變形場進(jìn)行了仿真分析，為了驗(yàn)證仿真分析的正確性，對不同工況中的靜壓油膜的溫升及轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形情況進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)。

4.1測試條件及測試內(nèi)容

針對某重型數(shù)控立車恒流供油靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，測試內(nèi)容為該靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油膜發(fā)熱產(chǎn)生的溫升及轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形。該測試是在齊重的恒溫車間完成，環(huán)境溫度變化在15±2 ℃以內(nèi)，符合測試要求。此次測試針對轉(zhuǎn)速為5～30 r/min時(shí)的重型立車靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)表面邊緣處軸向及徑向變形情況進(jìn)行測量(測試時(shí)間約2 h)。同時(shí)在上述不同工況下，測量油墊進(jìn)油口與封油邊出口液壓油溫度以及環(huán)境溫度，其中測試封油邊出口油溫的傳感器在油槽內(nèi)安裝位置如圖14所示。

4.2實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比分析

如圖15～16所示為空載條件下工作臺(tái)轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)測試的油膜封油邊出口溫度與進(jìn)油口的入口溫度及環(huán)境溫度隨時(shí)間變化曲線。在前30 /min時(shí)封油邊出口溫度迅速升高，之后油溫隨著時(shí)間緩慢升高，并在2 h時(shí)趨于平衡。入口油溫在前15 min時(shí)也隨著時(shí)間迅速升高，之后入口油溫保持平衡不變，這是由于在開始階段入口油溫沒達(dá)到冰箱設(shè)定時(shí)的溫度。測試環(huán)境溫度有波動(dòng)但是變化不大，可以認(rèn)為恒溫。用油槽內(nèi)部測試的油液穩(wěn)態(tài)溫度與進(jìn)油口穩(wěn)態(tài)溫度相減即得到封油邊a處的穩(wěn)態(tài)溫升。

圖17和圖18分別為20 r/min和30 r/min時(shí)封油邊油膜溫度瞬態(tài)仿真分析曲線與測試曲線的對比圖。封油邊油溫溫度的仿真結(jié)果與測試結(jié)果在趨勢上是相似的，都是隨著時(shí)間先快速升高，后逐漸趨于穩(wěn)態(tài)。仿真的初始溫度與測試的初始溫度不一樣是考慮到，測試時(shí)入口溫度與穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度不同，這里選擇測試時(shí)的穩(wěn)態(tài)入口溫度作為仿真的入口溫度。仿真油膜瞬態(tài)溫度曲線是在假設(shè)油膜厚度不變的情況下進(jìn)行的，實(shí)際上油膜厚度在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不斷波動(dòng)的，因此仿真的結(jié)果與測試結(jié)果有一定偏差。仿真的穩(wěn)態(tài)溫度與測試的穩(wěn)態(tài)溫度較好的吻合，說明了仿真結(jié)果是正確可信的。

圖19～20是轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣軸向熱變形和徑向熱變形的測試結(jié)果，圖中幅值減小說明轉(zhuǎn)臺(tái)與傳感器之間的距離縮小。圖中測試了轉(zhuǎn)臺(tái)由靜止?fàn)顟B(tài)-浮升-旋轉(zhuǎn)-停止旋轉(zhuǎn)保持浮升-靜止的整個(gè)過程中的熱變形曲線。

圖19所示軸向熱變形測試曲線在開始和末尾階段的劇烈振蕩是由于轉(zhuǎn)臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)與停止旋轉(zhuǎn)時(shí)的共振造成的。測試曲線開始與結(jié)束時(shí)的幅值差即為變形量值，從測試結(jié)果分析可得到30 r/min時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣軸向變形測試值為72 μm，徑向變形為14 μm，由于轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中離心力作用，以及油溫的變化，導(dǎo)致油膜厚度不是恒定值，因此測試結(jié)果與仿真結(jié)果存在偏差，但是根據(jù)測試結(jié)果可以得到與仿真結(jié)果一樣，轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣軸向熱變形大于徑向熱變形，軸向向上徑向向外的變形趨勢。

5　結(jié)語

(1)本文建立重型立車靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油膜-轉(zhuǎn)臺(tái)流固耦合分析模型，利用流體分析軟件Fluent得到轉(zhuǎn)臺(tái)的溫度場分布，并通過ANSYS Workbench中的靜力分析模塊得到轉(zhuǎn)臺(tái)的熱變形情況。

(2)通過仿真得到靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油膜溫升及轉(zhuǎn)臺(tái)的最大熱變形量都會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增加而變大，軸向熱變形量遠(yuǎn)大于徑向熱變形量，30 r/min時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)最大熱變形量在轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣處達(dá)到68 μm，其中軸向熱變形量最大位置為轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣，徑向熱變形量最大的位置在與油膜接觸地方。油膜發(fā)熱產(chǎn)生的轉(zhuǎn)臺(tái)熱變形對機(jī)床加工精度的影響不能忽視。

(3)通過對比封油邊油膜溫度測試結(jié)果與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。通過對轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣處軸向熱變形與徑向熱變形測試，得到30 r/min時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)邊緣軸向熱變形量為72 μm，徑向熱變形量為14 μm，雖然與仿真的軸向熱變形量62 μm，徑向熱變形量19 μm存在一定偏差，但是變形方向及變形趨勢是一致的。本文的研究結(jié)果能夠?yàn)橹匦土④囘\(yùn)行過程中熱誤差控制及機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

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(編輯汪藝)

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Simulating thermal characteristics and experimental studies of hydrostatic rotary table for heavy vertical lathe

HENG Fengqin, HUANG Zhi, XU Ke, WANG Zhengjie, WANG Liping

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, CHN)

The liquid and solid coupling of oil film and hydrostatic rotary table of one heavy vertical lathe was solved with the Fluent software. The thermal deformation of the rotary table was calculated with the ANSYS Workbench software based on the finite element method. The analysis results show that, maximum temperature rise appears on the sealing oil side, and with the increase of rotational speed, the values of maximum radial thermal deformation of hydrostatic turntable increase slowly as the speed is lower than 20 r/min, and increases rapidly as the speed is higher than 35 r/min. Meanwhile, sealing oil side film transient temperature simulation results can match better with the results of oil film temperature measurement under different working conditions, and the numerical results of thermal deformation along the axial and radial direction have the same direction and tendency with the thermal deformation measurement on edge of rotary table. The results provide theoretical foundations for the further analysis of thermal error control and structural design optimization in manufacturing process of heavy vertical lathe.

heavy vertical hydrostatic rotary table; temperature field; thermal deformation; experimental analysis

TH133.36

A

衡鳳琴，女，1988年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床熱變形控制技術(shù)。

2015-05-19)

160108

*國家科技重大專項(xiàng):重型數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新能力平臺(tái)(2013ZX04013-011);國家自然科學(xué)基金:基于柔順力控制的航發(fā)葉片邊緣七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控砂帶磨削方法及實(shí)驗(yàn)研究(51275078):中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金: 葉片多軸聯(lián)動(dòng)磨削方法研究(ZYGX2012J100)