空心滾珠絲杠在不同轉速下溫度分布及熱變形仿真
3.3空心滾珠絲杠在不同轉速下溫度分布及熱變形仿真
為了與實心滾珠絲杠對比，論文在做了實心滾珠絲杠在不同的進給速度下的仿真 之后，接下來仿真空心滾珠絲杠在不同的轉速下的溫度分布及熱位移的規律。
圖3.19—3.21是空心滾珠絲杠在60m/min的進給速度，螺母、絲杠冷卻液流速同 時為lm/s時的溫度分布圖。從圖3.20—圖3.22中可以看出與實心滾珠絲杠相比，仍 然是螺母處的溫度高，即大熱源處的溫度高。且螺母處的溫度梯度較其他的位 置大。兩端軸承處的熱源與螺母處相比很小，幾乎可以忽略。
從圖3.19中可以看出在螺母的橫截面上，在絲杠與螺母的結合處溫度高，摩 擦產生的大量的熱量有一半被螺母冷卻液帶走，一半被絲杠冷卻液帶走。另外，比較 螺母冷卻液與同位置的空心絲杠冷卻液的溫度，空心滾珠絲杠中的冷卻液的溫度比螺 母中的溫度還要低一些，這對于抑制滾珠絲杠的熱變形是有利的。
對比實心滾珠絲杠的溫度分布云圖，空心滾珠絲杠在兩端軸承處的溫度對滾珠絲 杠的影響較大。
圖3.23是空心滾珠絲杠在偏離中軸線8mm處的軸線的溫度分布數據圖。隨著滾 珠絲杠轉速的增加，絲杠的溫度逐漸增加，冷卻液帶走的熱量也會加倍，使滾珠絲杠 處于較低的溫度狀態下。對比實心滾珠絲杠的溫度分布圖可知，在螺母處的溫度梯度 較大。且在兩端軸承處溫度分布有了明顯的變化。從熱傳遞的角度，本文認為這是因 為冷卻液帶走大量的熱，而在熱源處的熱量就會相對較多，從而出現了螺母處的溫度 梯度較大。
從螺母處是大的熱源的角度講，螺母冷卻是滾珠絲杠冷卻液冷卻的主要對象。 因此，為了使冷卻液帶走更多的熱量，螺母處冷卻液的流速應大于空心絲杠內冷卻液 的流速（仿真時設置螺母、絲杠中冷卻液的流速同為lm/s),從而可以帶走更多的熱 量，降低絲杠的熱變形。同時發現絲杠中軸線上的溫度較低甚至除螺母以外的其他位 置的溫度都很低，這非常有利于抑制絲杠的軸向熱伸長。
圖3.24空心滾珠絲杠及螺母在不同轉速下的溫度分布圖 從圖3.24中可以看出隨著絲杠轉速的加倍，在螺母及絲杠的溫度幾乎呈加倍的 趨勢。與實心滾珠絲杠相比，溫度分布相差不大，螺母處的溫度仍然是高的，說明 采用螺母冷卻的冷卻方案是正確的。
取圖3.26仿真的熱變形對應的數據，與理論的數據對比，如表3.3。可知仿真結 果不同于理論假設的呈線性關系，然而理論數據與仿真數據基本上處于同一個很小的 數量級上。
表3.5實心/空心滾珠絲杠理論計算與軟件仿真熱變形對比
滾珠絲杠的計算參數：工作臺和工件重500kgf,加速度lg,導程40mm,長度1000mm, 有效行程720mm,大進給速度120m/min,要求壽命l=25000h (五年），引導面（滑動） 0.002,重復定位精度0.01。
轉速（r/min)
250
375
500
750
理論絲杠熱變形（m
m)
0.012
0.018
0.024
0.036
仿真絲杠熱變形（m
m)
0.0583
0.05834
0.05839
0.0585
轉速（r/min)
1000
1500
1500
3000
理論絲杠熱變形（m
m)
0.048
0.072
0.092
0.144
仿真絲杠熱變形（m
m)
0.05859
0.0588
0.05907
0.05937
對比空心絲杠與買心絲杠的熱伸長量，將表3.4、表3.5中的數據轉化為圖像3.21, 從中可以明顯地看出空心絲杠不同轉速下的仿真熱變形在0.06mm以內，且數值變化 很小；而實心滾珠絲杠隨著轉速的提高熱伸長量幾乎呈線性增加，基本屬于毫米數量 級。從數量級的角度考慮，空心絲杠的熱伸長量比實心滾珠絲杠的熱伸長量小1 一2 個數量級，滾珠絲桿空心冷卻液冷卻在高速進給時可以有效的抑制滾珠絲杠的熱伸長 變形。本文認為這主要是因為在空心絲杠冷卻液冷卻時，冷卻液的對流換熱系數遠遠 大于滾珠絲杠與空氣的對流換熱系數。同時，物質的比熱容代表了物質存儲能量的能 力，冷卻液的比熱容也遠遠大于空氣的比熱容，這也是其中的一個重要參數。
本文采摘自“空心滾珠絲杠在數控機床伺服進給系統中的應用研究”，因為編輯困難導致有些函數、表格、圖片、內容無法顯示，有需要者可以在網絡中查找相關文章！本文由伯特利數控整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！
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圖3.19—3.21是空心滾珠絲杠在60m/min的進給速度，螺母、絲杠冷卻液流速同 時為lm/s時的溫度分布圖。從圖3.20—圖3.22中可以看出與實心滾珠絲杠相比，仍 然是螺母處的溫度高，即大熱源處的溫度高。且螺母處的溫度梯度較其他的位 置大。兩端軸承處的熱源與螺母處相比很小，幾乎可以忽略。
從圖3.19中可以看出在螺母的橫截面上，在絲杠與螺母的結合處溫度高，摩 擦產生的大量的熱量有一半被螺母冷卻液帶走，一半被絲杠冷卻液帶走。另外，比較 螺母冷卻液與同位置的空心絲杠冷卻液的溫度，空心滾珠絲杠中的冷卻液的溫度比螺 母中的溫度還要低一些，這對于抑制滾珠絲杠的熱變形是有利的。
對比實心滾珠絲杠的溫度分布云圖，空心滾珠絲杠在兩端軸承處的溫度對滾珠絲 杠的影響較大。
圖3.23是空心滾珠絲杠在偏離中軸線8mm處的軸線的溫度分布數據圖。隨著滾 珠絲杠轉速的增加，絲杠的溫度逐漸增加，冷卻液帶走的熱量也會加倍，使滾珠絲杠 處于較低的溫度狀態下。對比實心滾珠絲杠的溫度分布圖可知，在螺母處的溫度梯度 較大。且在兩端軸承處溫度分布有了明顯的變化。從熱傳遞的角度，本文認為這是因 為冷卻液帶走大量的熱，而在熱源處的熱量就會相對較多，從而出現了螺母處的溫度 梯度較大。
從螺母處是大的熱源的角度講，螺母冷卻是滾珠絲杠冷卻液冷卻的主要對象。 因此，為了使冷卻液帶走更多的熱量，螺母處冷卻液的流速應大于空心絲杠內冷卻液 的流速（仿真時設置螺母、絲杠中冷卻液的流速同為lm/s),從而可以帶走更多的熱 量，降低絲杠的熱變形。同時發現絲杠中軸線上的溫度較低甚至除螺母以外的其他位 置的溫度都很低，這非常有利于抑制絲杠的軸向熱伸長。
圖3.24空心滾珠絲杠及螺母在不同轉速下的溫度分布圖 從圖3.24中可以看出隨著絲杠轉速的加倍，在螺母及絲杠的溫度幾乎呈加倍的 趨勢。與實心滾珠絲杠相比，溫度分布相差不大，螺母處的溫度仍然是高的，說明 采用螺母冷卻的冷卻方案是正確的。
取圖3.26仿真的熱變形對應的數據，與理論的數據對比，如表3.3。可知仿真結 果不同于理論假設的呈線性關系，然而理論數據與仿真數據基本上處于同一個很小的 數量級上。
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轉速（r/min)
250
375
500
750
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m)
0.012
0.018
0.024
0.036
仿真絲杠熱變形（m
m)
0.0583
0.05834
0.05839
0.0585
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1500
1500
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m)
0.048
0.072
0.092
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0.05859
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