空心滚珠丝杠在不同转速下温度分布及热变形仿真
3.3空心滚珠丝杠在不同转速下温度分布及热变形仿真
为了与实心滚珠丝杠对比，论文在做了实心滚珠丝杠在不同的进给速度下的仿真 之后，接下来仿真空心滚珠丝杠在不同的转速下的温度分布及热位移的规律。
图3.19—3.21是空心滚珠丝杠在60m/min的进给速度，螺母、丝杠冷却液流速同 时为lm/s时的温度分布图。从图3.20—图3.22中可以看出与实心滚珠丝杠相比，仍 然是螺母处的温度高，即大热源处的温度高。且螺母处的温度梯度较其他的位 置大。两端轴承处的热源与螺母处相比很小，几乎可以忽略。
从图3.19中可以看出在螺母的横截面上，在丝杠与螺母的结合处温度高，摩 擦产生的大量的热量有一半被螺母冷却液带走，一半被丝杠冷却液带走。另外，比较 螺母冷却液与同位置的空心丝杠冷却液的温度，空心滚珠丝杠中的冷却液的温度比螺 母中的温度还要低一些，这对于抑制滚珠丝杠的热变形是有利的。
对比实心滚珠丝杠的温度分布云图，空心滚珠丝杠在两端轴承处的温度对滚珠丝 杠的影响较大。
图3.23是空心滚珠丝杠在偏离中轴线8mm处的轴线的温度分布数据图。随着滚 珠丝杠转速的增加，丝杠的温度逐渐增加，冷却液带走的热量也会加倍，使滚珠丝杠 处于较低的温度状态下。对比实心滚珠丝杠的温度分布图可知，在螺母处的温度梯度 较大。且在两端轴承处温度分布有了明显的变化。从热传递的角度，本文认为这是因 为冷却液带走大量的热，而在热源处的热量就会相对较多，从而出现了螺母处的温度 梯度较大。
从螺母处是大的热源的角度讲，螺母冷却是滚珠丝杠冷却液冷却的主要对象。 因此，为了使冷却液带走更多的热量，螺母处冷却液的流速应大于空心丝杠内冷却液 的流速（仿真时设置螺母、丝杠中冷却液的流速同为lm/s),从而可以带走更多的热 量，降低丝杠的热变形。同时发现丝杠中轴线上的温度较低甚至除螺母以外的其他位 置的温度都很低，这非常有利于抑制丝杠的轴向热伸长。
图3.24空心滚珠丝杠及螺母在不同转速下的温度分布图 从图3.24中可以看出随着丝杠转速的加倍，在螺母及丝杠的温度几乎呈加倍的 趋势。与实心滚珠丝杠相比，温度分布相差不大，螺母处的温度仍然是高的，说明 采用螺母冷却的冷却方案是正确的。
取图3.26仿真的热变形对应的数据，与理论的数据对比，如表3.3。可知仿真结 果不同于理论假设的呈线性关系，然而理论数据与仿真数据基本上处于同一个很小的 数量级上。
表3.5实心/空心滚珠丝杠理论计算与软件仿真热变形对比
滚珠丝杠的计算参数：工作台和工件重500kgf,加速度lg,导程40mm,长度1000mm, 有效行程720mm,大进给速度120m/min,要求寿命l=25000h (五年），引导面（滑动） 0.002,重复定位精度0.01。
转速（r/min)
250
375
500
750
理论丝杠热变形（m
m)
0.012
0.018
0.024
0.036
仿真丝杠热变形（m
m)
0.0583
0.05834
0.05839
0.0585
转速（r/min)
1000
1500
1500
3000
理论丝杠热变形（m
m)
0.048
0.072
0.092
0.144
仿真丝杠热变形（m
m)
0.05859
0.0588
0.05907
0.05937
对比空心丝杠与买心丝杠的热伸长量，将表3.4、表3.5中的数据转化为图像3.21, 从中可以明显地看出空心丝杠不同转速下的仿真热变形在0.06mm以内，且数值变化 很小；而实心滚珠丝杠随着转速的提高热伸长量几乎呈线性增加，基本属于毫米数量 级。从数量级的角度考虑，空心丝杠的热伸长量比实心滚珠丝杠的热伸长量小1 一2 个数量级，滚珠丝杆空心冷却液冷却在高速进给时可以有效的抑制滚珠丝杠的热伸长 变形。本文认为这主要是因为在空心丝杠冷却液冷却时，冷却液的对流换热系数远远 大于滚珠丝杠与空气的对流换热系数。同时，物质的比热容代表了物质存储能量的能 力，冷却液的比热容也远远大于空气的比热容，这也是其中的一个重要参数。
本文采摘自“空心滚珠丝杠在数控机床伺服进给系统中的应用研究”，因为编辑困难导致有些函数、表格、图片、内容无法显示，有需要者可以在网络中查找相关文章！本文由伯特利数控整理发表文章均来自网络仅供学习参考，转载请注明！
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图3.19—3.21是空心滚珠丝杠在60m/min的进给速度，螺母、丝杠冷却液流速同 时为lm/s时的温度分布图。从图3.20—图3.22中可以看出与实心滚珠丝杠相比，仍 然是螺母处的温度高，即大热源处的温度高。且螺母处的温度梯度较其他的位 置大。两端轴承处的热源与螺母处相比很小，几乎可以忽略。
从图3.19中可以看出在螺母的横截面上，在丝杠与螺母的结合处温度高，摩 擦产生的大量的热量有一半被螺母冷却液带走，一半被丝杠冷却液带走。另外，比较 螺母冷却液与同位置的空心丝杠冷却液的温度，空心滚珠丝杠中的冷却液的温度比螺 母中的温度还要低一些，这对于抑制滚珠丝杠的热变形是有利的。
对比实心滚珠丝杠的温度分布云图，空心滚珠丝杠在两端轴承处的温度对滚珠丝 杠的影响较大。
图3.23是空心滚珠丝杠在偏离中轴线8mm处的轴线的温度分布数据图。随着滚 珠丝杠转速的增加，丝杠的温度逐渐增加，冷却液带走的热量也会加倍，使滚珠丝杠 处于较低的温度状态下。对比实心滚珠丝杠的温度分布图可知，在螺母处的温度梯度 较大。且在两端轴承处温度分布有了明显的变化。从热传递的角度，本文认为这是因 为冷却液带走大量的热，而在热源处的热量就会相对较多，从而出现了螺母处的温度 梯度较大。
从螺母处是大的热源的角度讲，螺母冷却是滚珠丝杠冷却液冷却的主要对象。 因此，为了使冷却液带走更多的热量，螺母处冷却液的流速应大于空心丝杠内冷却液 的流速（仿真时设置螺母、丝杠中冷却液的流速同为lm/s),从而可以带走更多的热 量，降低丝杠的热变形。同时发现丝杠中轴线上的温度较低甚至除螺母以外的其他位 置的温度都很低，这非常有利于抑制丝杠的轴向热伸长。
图3.24空心滚珠丝杠及螺母在不同转速下的温度分布图 从图3.24中可以看出随着丝杠转速的加倍，在螺母及丝杠的温度几乎呈加倍的 趋势。与实心滚珠丝杠相比，温度分布相差不大，螺母处的温度仍然是高的，说明 采用螺母冷却的冷却方案是正确的。
取图3.26仿真的热变形对应的数据，与理论的数据对比，如表3.3。可知仿真结 果不同于理论假设的呈线性关系，然而理论数据与仿真数据基本上处于同一个很小的 数量级上。
表3.5实心/空心滚珠丝杠理论计算与软件仿真热变形对比
滚珠丝杠的计算参数：工作台和工件重500kgf,加速度lg,导程40mm,长度1000mm, 有效行程720mm,大进给速度120m/min,要求寿命l=25000h (五年），引导面（滑动） 0.002,重复定位精度0.01。
转速（r/min)
250
375
500
750
理论丝杠热变形（m
m)
0.012
0.018
0.024
0.036
仿真丝杠热变形（m
m)
0.0583
0.05834
0.05839
0.0585
转速（r/min)
1000
1500
1500
3000
理论丝杠热变形（m
m)
0.048
0.072
0.092
0.144
仿真丝杠热变形（m
m)
0.05859
0.0588
0.05907
0.05937
对比空心丝杠与买心丝杠的热伸长量，将表3.4、表3.5中的数据转化为图像3.21, 从中可以明显地看出空心丝杠不同转速下的仿真热变形在0.06mm以内，且数值变化 很小；而实心滚珠丝杠随着转速的提高热伸长量几乎呈线性增加，基本属于毫米数量 级。从数量级的角度考虑，空心丝杠的热伸长量比实心滚珠丝杠的热伸长量小1 一2 个数量级，滚珠丝杆空心冷却液冷却在高速进给时可以有效的抑制滚珠丝杠的热伸长 变形。本文认为这主要是因为在空心丝杠冷却液冷却时，冷却液的对流换热系数远远 大于滚珠丝杠与空气的对流换热系数。同时，物质的比热容代表了物质存储能量的能 力，冷却液的比热容也远远大于空气的比热容，这也是其中的一个重要参数。
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