本發(fā)明屬于熱誤差控制，具體的為一種立式加工中心主軸軸承系統(tǒng)、閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、立式加工中心(vmc)的高加工精度對(duì)于保證加工零件的幾何精度至關(guān)重要。主軸軸承系統(tǒng)(sbs)作為vmc的核心功能部件之一，是vmc中的重要熱源，導(dǎo)致顯著的熱誤差(te)。sbs的te是影響整個(gè)vmc加工精度和效率的關(guān)鍵因素。具體來(lái)說(shuō)，在高速加工過(guò)程中，電機(jī)和軸承摩擦產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞到sbs，導(dǎo)致溫度分布和te不均勻。由于這種te，刀具和工件之間的相對(duì)空間位置誤差發(fā)生了變化，這對(duì)整個(gè)vmc的加工精度產(chǎn)生了不良影響。因此，為了提高vmc的加工精度，應(yīng)降低vmc中sbs的te。

2、目前，誤差補(bǔ)償和溫升降低是控制te的兩種常用方法。誤差補(bǔ)償策略主要依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)主軸te。然后將預(yù)測(cè)結(jié)果反饋給計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)te補(bǔ)償。然而，作為一種后補(bǔ)償方法，誤差補(bǔ)償存在明顯的延遲，特別是在熱穩(wěn)定性差的情況下，難以滿足高精度加工要求。直接降低溫升是一種更有效的te控制策略。降低溫升通常涉及使用循環(huán)冷卻系統(tǒng)來(lái)消散vmc內(nèi)部多余的內(nèi)部熱量。然而，雖然冷卻水套可以有效降低主軸溫度和te，但它們也有局限性。由于單相傳熱，它們的傳熱能力受到限制，往往導(dǎo)致溫度分布不均和溫度梯度過(guò)大。此外，循環(huán)冷卻系統(tǒng)容易發(fā)生冷卻劑泄漏。對(duì)于vmc的sbs，軸承對(duì)和電機(jī)是主要的熱源，它們通常被封閉在相對(duì)封閉的空間中?，F(xiàn)有的冷卻方法在如此緊湊的空間內(nèi)散熱效果不佳。因此，有必要研究封閉緊湊空間的高效散熱方法。

3、兩相傳熱裝置的傳熱性能遠(yuǎn)高于單相傳熱裝置，因?yàn)橄嘧冞^(guò)程中潛熱的吸收和釋放顯著提高了傳熱效率。兩相脈動(dòng)熱管(tpphp)作為一種有前景的兩相非能動(dòng)傳熱裝置，因其獨(dú)特的工作機(jī)理和優(yōu)異的傳熱性能而受到廣泛關(guān)注。tpphp由一個(gè)內(nèi)部充滿工作流體的反復(fù)彎曲的毛細(xì)管組成。在蒸發(fā)段，熱源使流體蒸發(fā)形成氣泡。在冷凝段，散熱源使蒸汽冷凝成液體。通過(guò)液體部分和蒸汽部分的自激振蕩流，熱量從蒸發(fā)部分傳遞到冷凝部分?；诿}動(dòng)熱管的相變和循環(huán)機(jī)制，其傳熱效率遠(yuǎn)高于其他熱管。此外，與其他類型的熱管(如燒結(jié)芯熱管和回路熱管)相比，tpphp具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、柔韌性好、不需要內(nèi)部毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。脈動(dòng)熱管(php)可以使用低成本的商用管道，無(wú)需特殊加工，因此其制造成本低于其他兩相傳熱裝置。因此，tpphp在vmc中應(yīng)用于sbs有望實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度分布，減少sbs的熱變形(td)，并為實(shí)際應(yīng)用提供有前景的解決方案。由于強(qiáng)流體循環(huán)，閉環(huán)tpphps(cltpphps)表現(xiàn)出顯著的htp。cltpphp以簡(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱能力，使其成為解決vmc?sbs散熱挑戰(zhàn)的有前景的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種立式加工中心主軸軸承系統(tǒng)、閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管及其設(shè)計(jì)方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明首先提出了一種閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

4、步驟一：確定幾何參數(shù)

5、根據(jù)主軸軸承系統(tǒng)的冷卻套尺寸，確定閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的幾何尺寸；根據(jù)選用的工作流體，確定閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的內(nèi)徑尺寸；

6、步驟二：多相流行為模擬

7、對(duì)閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管進(jìn)行多相流行為的仿真模擬，模擬得到閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的氣液相變行為和溫度場(chǎng)；

8、步驟三：實(shí)驗(yàn)研究

9、通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)傳熱特性；

10、步驟四：建立響應(yīng)面模型

11、通過(guò)響應(yīng)面模型建立傳熱性能與閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)與操作參數(shù)之間的相關(guān)性，得到工作流體、匝數(shù)n、冷卻空氣流量cafr和熱通量密度q對(duì)閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的有效傳熱系數(shù)的影響，確定閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管包括匝數(shù)n、冷卻空氣流量cafr和熱通量密度q的設(shè)計(jì)參數(shù)。

12、進(jìn)一步，所述步驟一中，根據(jù)工作流體確定閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的內(nèi)徑尺寸的方法為：

13、

14、其中：din為閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的內(nèi)徑尺寸；ρl和ρv分別為液相密度和氣相密度；g為重力加速度；σ為表面張力。

15、進(jìn)一步，所述步驟二中，對(duì)閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管進(jìn)行多相流行為的仿真模擬的方法步驟為：

16、21)構(gòu)建控制方程：利用流體體積模型模擬兩相脈動(dòng)熱管內(nèi)的相變，流體體積模型用于通過(guò)元件內(nèi)的相體積分?jǐn)?shù)跟蹤氣液界面，確定與每個(gè)元件中的氣相和液相的流量變化；利用lee模型定義相變過(guò)程，模擬兩相脈動(dòng)熱管內(nèi)部相變過(guò)程中的能量和質(zhì)量傳遞；

17、22)溶液設(shè)置和邊界條件

18、設(shè)置兩相脈動(dòng)熱管的工作角度和填充率；設(shè)置重力加速度；設(shè)置管壁材質(zhì)；設(shè)置工作液體的液相比熱容和表面張力系數(shù)；設(shè)置工作液體的氣相比熱容；設(shè)置工作液體的目標(biāo)飽和溫度和飽和壓力；

19、將絕熱段視為絕熱壁，在模擬過(guò)程中，使蒸發(fā)段的熱通量密度和冷凝段的對(duì)流系數(shù)的邊界條件保持一致；

20、23)網(wǎng)格劃分

21、采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與工作流體的變化緊密對(duì)齊，提供高界面分辨率，以精確捕捉氣泡產(chǎn)生、生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)和液體回流等動(dòng)態(tài)過(guò)程；在管壁附近添加邊界層網(wǎng)格，以準(zhǔn)確捕捉管壁附近薄液膜的形成以及小氣泡的產(chǎn)生和演變；

22、24)仿真模擬

23、對(duì)閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管進(jìn)行多相流行為模擬，得到閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的匝數(shù)對(duì)啟動(dòng)時(shí)間和傳熱性能的影響。

24、進(jìn)一步，所述步驟21)中，利用流體體積模型模擬兩相脈動(dòng)熱管內(nèi)的相變的方法為：在閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管中，計(jì)算域內(nèi)每個(gè)元素滿足條件：

25、αv+αl＝1

26、其中：αl和αv分別為液相和氣相的體積分?jǐn)?shù)；

27、連續(xù)性方程為：

28、

29、其中：sm,l表示液相的質(zhì)量源項(xiàng)；sm,v表示氣相質(zhì)量源項(xiàng)；表示梯度算子；

30、動(dòng)量方程為：

31、

32、其中：ρ為混合相密度；u為動(dòng)量粘性系數(shù)；為……；為……；i為等同張量；fcsf為表面張力產(chǎn)生的體積力源項(xiàng)；

33、能量方程為：

34、

35、其中：e為內(nèi)能；k為熱導(dǎo)率；為最大溫差；se為能量來(lái)源；

36、使用體積平均法求解混合相的熱物理性質(zhì)，得到：

37、ρ＝αlρl+(1-αl)ρv

38、μ＝αlμl+(1-αl)μv

39、k＝αlkl+(1-αl)kv

40、其中：ρ為混合相密度；ρl和ρv分別為液相密度和氣相密度；

41、μ為混合相的動(dòng)態(tài)粘度；μl和μv分別為液相動(dòng)態(tài)粘度和氣相動(dòng)態(tài)粘度；

42、k為混合相的熱導(dǎo)率；kl和kv分別為液相熱導(dǎo)率和氣相熱導(dǎo)率；

43、使用質(zhì)量平均法求解內(nèi)能，得到：

44、

45、其中：e為內(nèi)能；el和ev分別為液相內(nèi)能和氣相內(nèi)能。

46、進(jìn)一步，所述步驟21)中，利用lee模型模擬兩相脈動(dòng)熱管內(nèi)部相變過(guò)程中的能量和質(zhì)量傳遞的方法為：

47、在蒸發(fā)過(guò)程中：

48、

49、其中：ml表示從液相到氣相的質(zhì)量轉(zhuǎn)化；βe為蒸發(fā)系數(shù)；αl液相體積分?jǐn)?shù)；ρl和ρv分別為液相密度和氣相密度；t為混合相的溫度；tsat為飽和溫度；dsm為索特平均直徑；m為摩爾質(zhì)量；r理想氣體常數(shù)；δh為飽和晗差；

50、在冷凝過(guò)程中：

51、

52、其中：mv表示氣相到液相的質(zhì)量轉(zhuǎn)化；βc為冷凝系數(shù)；αv為氣相體積分?jǐn)?shù)；

53、確保相變過(guò)程中傳質(zhì)速率的動(dòng)態(tài)平衡：

54、

55、其中:ρl和ρv分別為液相密度和氣相密度。

56、進(jìn)一步，所述步驟22)中，蒸發(fā)段的熱通量密度為：

57、

58、其中：q為熱通量密度；p為蒸發(fā)段加熱功率；d為脈動(dòng)熱管直徑；le為蒸發(fā)段長(zhǎng)度；

59、對(duì)流傳熱系數(shù)為：

60、

61、其中：h為對(duì)流傳熱系數(shù)；heff為有效傳熱系數(shù)；和分別是蒸發(fā)器和冷凝器部分的溫差。

62、進(jìn)一步，所述步驟四中，通過(guò)構(gòu)造具有顯式表達(dá)式的多項(xiàng)式來(lái)近似設(shè)計(jì)參數(shù)和目標(biāo)變量之間的復(fù)雜隱式關(guān)系：

63、

64、其中：y是預(yù)測(cè)響應(yīng)值；xi和xj分別是第i個(gè)和第j個(gè)影響因素；k是影響因素的數(shù)量；β0為截距系數(shù)；βi是線性系數(shù)；βij為相互作用系數(shù)；βii為二次系數(shù)；ε是誤差項(xiàng)。

65、進(jìn)一步，所述步驟四中，選擇普朗特?cái)?shù)pr將工作流體的類型轉(zhuǎn)換為可量化的值：

66、

67、其中：pr為普朗特?cái)?shù)；cp為比熱容；μ為動(dòng)態(tài)粘度；k熱導(dǎo)率。

68、本發(fā)明還提出了一種閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管，采用如上所述閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得到。

69、本發(fā)明還提出了一種立式加工中心主軸軸承系統(tǒng)，包括主軸和套設(shè)在所述主軸外的冷卻水套，所述冷卻水套的兩端與所述主軸之間分別設(shè)有前軸承和后軸承，所述前軸承和后軸層之間設(shè)有套筒，所述冷卻水套的內(nèi)壁上安裝有如上所述的閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管。

70、本發(fā)明的有益效果在于：

71、立式加工中心的主軸軸承系統(tǒng)由于散熱不足而發(fā)生顯著的熱膨脹，導(dǎo)致加工誤差和工件幾何形狀偏差。傳統(tǒng)的冷卻方法不能有效地散熱和控制熱誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)得到的閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管用于消散內(nèi)部熱量并調(diào)節(jié)立式加工中心主軸軸承系統(tǒng)的熱變形。在閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)過(guò)程中，建立了氣液相變模型，驗(yàn)證了不同轉(zhuǎn)彎配置的熱管的散熱性能和相變行為。實(shí)驗(yàn)研究了設(shè)計(jì)和操作參數(shù)對(duì)熱管性能的影響。此外，響應(yīng)面分析用于揭示對(duì)流換熱系數(shù)與設(shè)計(jì)和操作參數(shù)之間的關(guān)系，確定閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管包括匝數(shù)n、冷卻空氣流量cafr和熱通量密度q的設(shè)計(jì)參數(shù)。將本發(fā)明設(shè)計(jì)得到的閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管嵌入立式加工中心的主軸軸承系統(tǒng)中，閉環(huán)兩相脈動(dòng)熱管在立式加工中心主軸散熱和熱變形控制中的應(yīng)用顯著提高了加工精度，為精密加工提供了新的解決方案。