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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)椋诜抡娣治鲋校环矫妫扇×撕?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陀辛瞬町悾涣硪环矫妫诜抡嬷校瑢?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)椋鬏S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。

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