卧式镗铣加工中心的主轴箱整体温度场实验与仿真结果对比

5.3机床主轴箱整体温度场实验与仿真结果对比
在本文上述环节中，通过分析主轴热源、初始条件以及边界条件等因素，计算得出了主轴、ZF减速箱、主轴箱等部件的稳态温度场、瞬态温度场以及相应的热-结构耦合分析结果，本节主要通过跑车试验，对特定温度测点的温度变化情况进行测量，并与有限元温度场分析结果进行对比，分析误差产生的原因。
主轴箱测温布点如图5.11所示，测点编号为1，2，3, 4，分别对应主轴1，2，3,4号轴承位置的温度传感器。
测温传感器采用STT-T系列铂电阻温度传感器，铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200?650°C)最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准使用。STT-T系列温度传感器采用不锈钢外壳封装，内部填充导热材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量。如图5.12所示，传感器采用螺纹连接连接的方式安装在主轴箱的螺纹孔中。
主轴箱温度场跑车实验的实验值与仿真值的对比结果如图5.13至图5.16所示，将每一个测点的两个值放入到同一个图表中进行对比。由曲线对比可以可看出，实验测得数据存在一些变化较大的点，这是因为实际温度测量试验测得值受到跑车实验工况、数据显示、测量误差等因素的影响，但是每个测点的实验值与仿真值的变化趋势
基本吻合；另外，实验值高于仿真值，这是因为，在仿真分析中，一方面，采取了简化细小零件以及忽略次要特征等手段来简化模型，使仿真模型在质量以及形状上与实际跑车实验模型有了差异；另一方面，在仿真中，对流系数反映的仅仅是空气在主轴箱外壁高温作用下的流动，而在实际情况中，空气的自然流动会带走一部分热量；所以，上述两点造成了实验值与仿真值的差异。

表5.1各温度测点实验值与仿真值 U&/V

时间/t	测点1		测点2		测点3		测点4
	模拟值	实验值	模拟值	实验值	模拟值	实验值	模拟值	实验值
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

(接上页）
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

由仿真结果可以看出，主轴、减速箱以及主轴箱等都具有热对称结构，虽然在两侧具有局部结构的不同，导致温度场在两侧有细小的差异，但是总体呈现热对称的温度场分布结果。虽然温度最高处出现在减速箱上，但是，一方面，减速箱通过与主轴箱的接触将热量传递过来，温度己经产生了大幅度的降低且减速箱温度最高的地方暴露在空气中与空气进行热对流，与主轴箱没有接触；另一方面，主轴通过主轴轴承与主轴箱进行连接，而减速箱的安装位置距离主轴轴承位置较远，所以，减速箱发热对主轴温度场影响较小。所以，在进行主轴箱整体温度场实验的时候，只选取了主轴上四个轴承安装位置进行考察。1、2、3、4号轴承仿真值温度上升趋势基本相同，与实验测得值基本吻合，存在一定误差；在达到热平衡时，3号轴承位置的温度最高。
探宄温度场实验结果与仿真分析结果出现的误差，可以归纳为以下几个方面的原因:
(1) 在进行有限元分析时，对主轴箱部件模型进行了一定程度的简化，虽然达到减少分析单元以及网格、节省计算时间的目的，但是，也会对温度场的分析结果产生影响，因为，主轴箱上细小的零件以及次要的特征在有限元分析过程中被简化掉了，但是在实际情况中，细小特征会对整体温度场产生一定程度的影响，小零件也会与主轴进行热量的传递。
(2) 在有限元分析过程中，边界条件的设定是理想化的。比如，热对流系数设定为线性，而在实际情况中，对流系数的变化非常复杂，并不是单一的线性变化；另外，机床表面与空气的热对流，仿真中认为是机床对空气加热使空气发生流动，从而带走热量，而在实际情况中，这只是空气流动的次要原因，主要原因是车间整体环境中的空气流动迫使机床表面与空气进行持续的热对流交换；再有，在仿真分析中，初始条件以及后来的环境温度一直设定为稳定的恒温状态，但是实际情况中，由于车间内自然风以及通风系统等因素的作用，机床所处的环境并不是稳定的恒温状态。
(3) 在机床跑车实验中，实验平台所处的环境比较复杂，周围热源等因素也会对热对流环境甚至机床本身的热对流产生一定的影响。
(4) 在仿真试验中，主轴设定为是持续一个方向转动的，而在实际的跑车试验中，在中间会进行转动方向的反转。
(5) 仿真分析的测点温度场结果读取位置并不一定与主轴箱温度传感器的位置绝对一致。
(6) 在边界条件中冷却液的设定过程中，是根据润滑油的流量，将实际情况中的润滑油间歇性喷发等效为仿真分析中的持续加载情况的，所以，仿真分析与实验在边界条件的设定上也存在偏差。
虽然仿真模拟分析与实测值之间存在误差，但是通过探宄误差出现原因可以看出，通过修正、优化有限元分析模型可以取得相对精确的模拟结果。所以，仿真结果可用，对减小机床热误差以及机床冷却系统的优化设计有一定的参考意义。
5.4本章小结
本章基于上述机床主轴箱部件的有限元分析温度场分析结果，得到了主轴箱整体的温度场结果。并选取了温度测点，接下来通过主轴箱跑车试验对测点的温度值进行了实测，得到对比分析结果，并分析了对比结果出现的误差原因，总结仿真结果可用，具有一定的参考意义。

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