[发明专利]一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法

权利要求书

1.一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据壁面函数及标准k-ε湍流模型建立螺旋水套参数化模型，结合电主轴生热及散热机理得到电主轴稳态温度场；

步骤2：以所述电主轴稳态温度场作为初始条件，采用胡克定律得到转轴前端的轴向热误差，建立螺旋水套配置参数与热误差的关系，建立电主轴热特性实验台并验证电主轴有限元模型的准确性；

步骤3：建立电主轴热误差的可靠性极限状态函数，对电主轴热误差可靠性进行分析；

步骤4：将冷却水套体积和输入流量作为优化目标，以所述冷却水套的配置作为设计变量，建立电主轴冷却水套可靠性优化设计模型为：

其中，f(·)表示目标函数，x表示随机设计变量；G_t(·)表示第t个失效模式下的极限状态函数；R_t表示给定的目标可靠度；G_i(·)表示不等式约束矩阵；M和N分别表示可靠性约束和不等式约束数量；

步骤5：将确定性约束和可靠性约束转化为惩罚函数，应用智能优化方法进行冷却水套最优配置的搜索，当目标函数值保持稳定且可靠度约束达到给定值，迭代终止，完成可靠性优化。

2.根据权利要求1所述的一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法，其特征在于：所述步骤1中具体还包括：

步骤1.1：确定螺旋冷却水套的壁面函数：

其中，u⁺表示冷却水在壁附近的无量纲速度；y⁺表示冷却水到壁的无量纲距离；

利用壁面函数及标准k-ε湍流模型建立冷却水套参数化模型；

步骤1.2：利用电主轴内部热源的生热机理得到内部热源生热解析式；

所述电主轴内部热源包括双列角接触球轴承在旋转过程中产生的热量和电机定子和转子的热量损失的功率；根据电机效率计算法，电机在运行过程中产生的功率损失表示为：

Q_m＝P_i(1-η)+P_w

其中，Q_m表示电机的发热量；P_i表示电机的输入功率；η表示电机效率；P_w表示空气阻力的功率损失；定子和转子的发热量分别表示为：

其中，Q_r和Q_s分别表示转子和定子产生的热量；f_p和f_s分别表示电机的转差率和同步频率；

轴承产生的热量表示为：

Q_b＝1.047×10^-4n(M_f+M_R)

其中，Q_b表示轴承旋转产生的热量；n表示转轴转速；M_f表示轴承受到的滚动摩擦力矩摩擦力矩，表示为：

M_f＝f₁P₁d_m

其中，d_m表示轴承的中径；f₁表示轴承载荷条件系数；P₁表示计算载荷；

M_R为轴承收到的润滑油粘性摩擦力矩，表示为：

其中，μ表示润滑剂的运动粘度；n表示转轴转速；f₀表示与轴承和润滑类型相关的系数；

步骤1.3：利用强迫对流和自然对流理论得到电主轴换热位置的对流换热系数解析式；

根据无量纲对流换热计算方法，轴承和油气混合物间的强制对流换热系数表示为：

其中，a_c1表示轴承和油气混合物间的强制对流换热系数；d_o和d_i分别表示外滚道和内滚道的平均直径；V_air表示空气的流量；f_shaft表示转轴转动的频率；空气和电主轴外壳之间的自由对流换热系数表示为：

其中，a_c2表示空气和电主轴外壳之间的自由对流换热系数；G_r表示格拉绍夫数；P_r表示空气的普朗特数；d表示特征长度；λ_air表示空气的热导率；空气和电机气隙之间的强制对流换热系数表示为：

其中，a_c3表示空气和电机气隙之间的强制对流换热系数；Re表示空气的雷诺数；转轴和空气之间的强制对流换热系数表示为：

其中，a_c4表示转轴和空气之间的强制对流换热系数；

步骤1.4：将所述解析式的数值结果作为电主轴有限元模型的边界条件，认为流体壁面边界为无滑移，采用简易算法对速度场和压力场进行耦合，建立电主轴有限元模型，并对电主轴有限元模型进行求解得到电主轴稳态温度场。