主轴系统优化设计是提高主轴系统热特性的手段之一。以某型数控车床为研究对象,综合考虑同步齿形带压轴力对轴承发热量的影响及同步齿形带传动时产生的热量,对主轴系统热载荷及边界条件进行分析计算。利用ANSYS Workbench软件对主轴系统热特性进行分析。通过搭建试验测试系统,对主轴系统的温度场及热变形量进行测试,有限元分析与试验测试结果基本吻合。

为探讨磁流体密封极齿参数对磁流体热特性的影响,利用传热学理论构建磁流体密封装置的传热计算模型,研究不同转速下密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度与磁流体温度的关系。在磁流体密封实验台上研究密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度对磁流体温度的影响,并利用模型计算结果对试验结果进行了验证。试验结果表明:随着密封间隙和极齿高度的增加,磁流体温度逐渐减小,呈负指数变化趋势;随着极齿宽度的增加,磁流体温度线性增加;随着极齿槽宽度的增加,磁流体的温度基本不变;密封间隙对磁流体温度影响最大,其次是极齿宽度和极齿高度,极齿槽宽度对磁流体温度基本没有影响。研究表明,在一定范围内适当增加密封间隙和极齿高度,适当减小极齿宽度,可以在一定程度上减小磁流体的发热量,提高磁流体密封装置寿命。

机床的热误差已成为影响机床工作性能的最主要因素之一,滚珠丝杠作为机床进给系统关键部件,其热变形直接影响着机床的加工精度。因此,对滚珠丝杠进行热误差控制与补偿十分重要。过去几十年里,国内外学者对滚珠丝杠进给系统热误差研究可以分成三部分内容:热特性研究,热误差建模和热误差补偿。先通过滚珠丝杠热特性分析获取必要的参数,然后以此为基础进行合理的热误差建模,最后进行热误差检测及其补偿。以此为脉络展开,分别探讨了三部分内容国内外的研究现状以及存在的优缺点,并对未来的研究趋势进行了展望。

为研究油气润滑参数对高速电主轴热特性的影响,在考虑气流压力和供油量2个因素下对高速电主轴进行热特性正交试验。结果表明:供油量对温升指标的影响最大,气流压力影响次之,二者的交互因素对温升指标的影响比较小。获得了最佳水平组合,得到了不同水平组合下电主轴各方向的热变形;分析电主轴各方向热变形不同的原因,得到在实际加工中应该重点控制主轴Z方向热变形量的结论。

为了研究双驱进给系统中双丝杠温度差异对同步误差的影响,建立进给系统有限元模型,分析其在不同进给速度下的热特性。利用温度传感器和激光干涉仪,对进给系统温度、热变形进行测量,分析双丝杠温度、同步误差与进给速度、时间的关系。结果表明主动轴热平衡温度高于从动轴,且丝杠螺母的温度随进给速度的增加而增加。同步误差与进给速度成线性关系,有限元模型预测误差在15%以内。

合理的轴承预紧是保障轴系性能的关键所在。由于生产制造和装配误差的存在,容易导致轴系中常用的定位和定压预紧方式形成非均匀预紧载荷。针对以上问题,开发了一种采用小型压电测力传感器测量预紧力、由电主轴驱动的试验平台,可用于开展非均匀预紧载荷下轴承轴系性能试验研究。针对不同方向和大小的非均匀预紧力下的轴系热特性进行了试验,测试结果表明1.当非均匀预紧力导致弯矩增大时,均匀预紧下该平面上外圈温度值和温升被非均匀预紧下温度值和温升完全包络。2.对比非均匀预紧力,外界环境温度和散热型式对轴系温度场有更显著的影响。受载轴承中接近热传导的区域,其温度明显低于轴承其他区域。该结果直接反映出非均匀预紧载荷对轴承轴系热特性的影响,同时为理论研究提供了数据支持。

为了研究电主轴在工作时温度变化规律,文章结合能量守恒和热平衡原理,建立了电主轴温度随时间变化的模型,得出时间—温升规律符合指数规律;当电主轴结构、材料及工作环境确定的情况下,电主轴达到热平衡所需时间是不变的。通过对某型号数控机床设计温度采集方案,在机床电主轴上布置温度传感器,采集了不同转速下的温度值,分析实验结果可得电主轴的温升随着转速升高而增大;时间—温升变化规律和所建立的数学模型相一致;该模型可以对机床电主轴的温度变化情况进行预测,为研究机床关键热源的热特性提供了理论依据。

考虑影响防折弯系统液压系统油液温度的因素,提出两种液压系统方案,并建立基于AMESim的热力学仿真模型。通过对防折弯系统的两种方案进行仿真和对比,得到有轨电车在一次转弯过程中液压油温升为0.105℃。如果忽略外界的热交换,有轨电车运行一天,防折弯系统液压系统的液压油温升为7.875℃。在不增加冷却系统的条件下,方案1和方案2都满足液压系统散热要求。

针对液压锥阀的热特性问题,考虑油液物理特性变化对锥阀节流损失的影响,采用控制体方法建立了锥阀的热力学模型,对包含锥阀的简单液压系统进行了数值模拟。在不同进口压力下对锥阀的热特性进行了试验研究,得到了锥阀节流损失系数相对油液温度的变化和锥阀进出口温度的变化。结果表明：试验结果与数值模拟结果吻合,验证了热力学建模和仿真的正确性。

针对液压系统热特性建模问题，讨论了功率损失法、结点法、控制体方法、计算流体力学方法、神经网络方法的主要原理与发展，讨论了HYTTHA、HyPneu、EASY5、DSHplus、AMESim、Modelica等液压系统热特性仿真软件的主要特点及应用，最后展望了液压系统热特性建模与仿真的发展趋势。