[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

说明书

本发明提供一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法，涉及机床主轴冷却结构参数优化技术领域。该方法首先建立电主轴热误差模型，得到螺旋冷却水套配置对电主轴热误差的影响。然后结合克里金代理模型与蒙特卡洛法分析了不确定因素对电主轴热误差的影响，建立了基于可靠性的优化模型，以获得最佳的冷却水套配置。在可靠性优化模型中，以冷却水套的体积和通入水流量作为目标函数，将冷却水套的定型定位尺寸进行合理约束，将不等式约束集归一化为惩罚函数，采用智能优化算法对可靠性优化问题进行求解以获得最佳的冷却水套配置。该方法得到的冷却水套配置满足电主轴加工可靠性要求，水套的体积大幅度降低，减少了冷却水套的制造成本。

技术领域

本发明涉及机床主轴冷却结构参数优化领域，尤其涉及一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法。

背景技术

电主轴作为精密机床的一个核心部件，其集成了电机和主轴，以最小化机床的传动误差。然而，紧凑的结构导致了内部热源的集中。为了提高电主轴的散热能力，需要在定子外部安装一个螺旋水套用于制冷。因此，在保证加工精度和可靠性的前提下，合理设计螺旋水套的配置是提升电主轴加工能力的关键。

电主轴冷却水套的优化设计主要集中在改进其结构特征上。近年来，国内外学者提出了多种特殊的螺旋水套来提高主轴的散热效率。傅建中等提出了一种树形分叉式螺旋水套，该水套可以大幅度提升电主轴的散热效率。Fang等提出了一种热电冷却系统，并对提出的冷却系统进行了有限元建模和散热效率分析。Tang等采用了具有凸形结构的新型水冷通道，通过数值模拟证明了加入凸形结构可以改善水套的冷却性能。

上述研究为电主轴冷却水套的热分析和结构优化奠定了基础，其基本原理已相当成熟。然而在这些研究中，电主轴冷却水套的配置被认为是确定性的。从实际工程的角度来看，水套的定型定位尺寸、通入水流量等均具有随机性。因此上述研究具有一定的局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电主轴螺旋冷却水套的可靠性优化设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

步骤1：根据壁面函数及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：将得到的电主轴温度值作为初始条件，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，同时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，以冷却水套的配置，包括：径向定位距离X、轴向定位距离Y、单匝水套截面宽度W、单匝水套截面长度L和冷却水输入流量Q_i作为设计变量，建立电主轴冷却水套可靠性优化设计模型；

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。

进一步的，所述步骤1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；