一种高速电主轴用的T型冷却水套及其优化方法

本发明属于通用热交换或传热设备的零部件，特别是涉及一种高速电主轴用的t型冷却水套及其优化方法。

背景技术：

1、高速电主轴将电机转子与主轴芯轴直接集成，取消了皮带、齿轮等中间传动环节，具有转速高、响应快和结构紧凑等优点，已广泛应用于数控机床、加工中心和磨削设备中。然而，内置电机在运行中产生的铜损、铁损以及轴承摩擦损耗均集中于主轴内部相对封闭的空间内，若不能及时导出，将导致主轴及轴承区域的温度显著升高，引发轴向和径向热位移，进而降低机床的加工精度并缩短主轴使用寿命。

2、为改善电主轴的散热性能，现有技术中已提出多种液冷冷却结构。例如，已知一种冷却装置通过扩大冷却区域对外壳、定子和轴承座同时进行冷却。在冷却流道结构优化方面，有研究提出了仿生微结构水套；亦有研究分别提出了昆虫翅脉仿生流道和仿蜂巢冷却结构；此外，还有蛇形水套、变速双螺旋冷却系统以及u型冷却系统等方案。上述方案虽然在一定条件下可以改善散热，但在结构复杂度、制造成本和实验验证方面仍存在不同程度的不足。

3、上述现有技术方案存在以下不足：第一，仿生流道、微结构、多螺旋结构等通常包含复杂曲面或微细特征，需要多轴联动加工或特种工艺，制造成本高，尺寸一致性和批量生产可控性较差。第二，多数研究仅基于有限元仿真对冷却性能进行评价，缺少对优化前后实物样机的系统温升和热位移实验对比，其工程适用性缺乏充分验证，第三，在工艺相对简单的传统t型冷却水套中，若采用均匀齿宽设计，单纯增大齿宽或增加齿数虽可增加换热表面积，但会压缩冷却液通流截面、增加流动阻力并诱发局部回流或滞流；反之，减小齿宽或减少齿数又可能导致换热面积不足或轴向热源覆盖不充分，使得降低最高温度与提升温度场均匀度成为一对难以兼顾的性能目标。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种高速电主轴用的t型冷却水套及其优化方法，以解决传统t型冷却水套因均匀齿宽设计导致换热面积与温度均匀性难以兼顾的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高速电主轴用的t型冷却水套，包括冷却水套本体以及套设于冷却水套本体外侧的外壳，所述冷却水套本体的外周面上设有沿轴向间隔排列的cn个环形梯形齿结构，相邻环形梯形齿结构的齿侧壁、冷却水套本体的齿间底面与外壳的内壁共同围成t型冷却流道，所述环形梯形齿结构包括9个第一环形梯形齿和cn-9个第二环形梯形齿，相邻第一环形梯形齿内均布设置有多个第二环形梯形齿，所述第一环形梯形齿与第二环形梯形齿满足以下条件：

3、6mm≤wb≤12mm，3mm≤ws≤5mm，25≤cn≤45，wb＞ws，并且l[(cn9)ws+9wb]≥0；

4、其中wb为第一环形梯形齿的齿顶轴向宽度，ws为第二环形梯形齿的齿顶轴向宽度，l为冷却水套本体的冷却段长度。

5、更进一步的，所述第一环形梯形齿和第二环形梯形齿高度为2.8mm，梯形齿倾斜角为110°，所述冷却水套本体的冷却段长度为300mm。

6、更进一步的，所述第二环形梯形齿的齿根危险截面满足以下强度约束条件：

7、

8、其中，fr为冷却液作用于第二环形梯形齿的径向冲击力，h为齿高，sf为安全系数，σy为冷却水套材料的屈服强度；

9、径向冲击力fr按下式确定：

10、

11、其中，cd为冲击系数，ρ为冷却液密度，v为齿间流道内冷却液平均流速，ap为齿面投影面积。

12、更进一步的，安全系数sf范围为3-5，冲击系数cd范围为1.2-1.8，齿面投影面积ap按下式确定：

13、。

14、更进一步的，所述冷却水套本体采用scm435合金材料。

15、更进一步的，所述冷却水套本体套设在高速电主轴的定子外侧，所述冷却水套本体的冷却液入口和冷却液出口与外部液冷循环装置连通。

16、一种高速电主轴用的t型冷却水套的优化方法，它包括以下步骤：

17、步骤1：以第一环形梯形齿齿顶轴向宽度wb、第二环形梯形齿齿顶轴向宽度ws和环形梯形齿结构总数cn为设计变量，固定齿高h=2.8 mm、冷却水套本体的t型冷却流道长度为300 mm、第一环形梯形齿数量为9、梯形齿角度θ=110°；

18、步骤2：依据wb＞ws、l[(cn9)ws+9wb]≥0以及齿根强度约束的条件下，确定结构可行性；

19、步骤3：采用三因素三水平box-behnken试验设计建立17组参数组合，对各参数组合进行流-热耦合有限元仿真，获得最高温度tmax及各监测点温度；

20、步骤4：根据温度数据计算温度均匀度tavg，并分别建立tmax和tavg关于wb、ws及cn的二阶响应面代理模型；

21、步骤5：以tmax最小化和tavg最大化为优化目标，采用多目标鲸鱼优化算法对所述响应面代理模型进行求解，获得pareto非支配解集；

22、步骤6：从pareto非支配解集中，按照冷却性能、温度均匀度、齿根强度、加工尺寸标准化程度及装配可靠性进行综合择优，输出冷却水套制造参数。

23、更进一步的，步骤3中三个因素的三个试验水平分别为：wb为6mm、9mm和12mm，ws为3mm、4mm和5mm，cn为17、31和45。

24、更进一步的，步骤5中多目标优化获得的代表性候选方案包括：方案1：wb=8.127mm、ws=3.591 mm、cn=35；方案2：wb=7.866 mm、ws=4.062 mm、cn=41；方案3：wb=10.673 mm、ws=4.588 mm、cn=38。

25、更进一步的，经流-热、流-热-固耦合仿真及工程可行性综合评价后，选定方案2，在工程化设计中将wb和ws分别设置为8mm和4mm，cn保持41。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、1、本发明通过将环形梯形齿差异化设置为九个第一环形梯形齿和若干第二环形梯形齿，在有限轴向安装空间内同时实现了换热面积的有效扩展和轴向热源的细分覆盖，缓解了传统均匀齿宽t型水套中最高温度降低与温度均匀度提升之间的矛盾。

28、2、在额定转速4000r/min、冷却液流量12l/min、入口温度20℃的工况下，采用本发明优选方案的差异化梯形齿水套进行实验测试，电主轴实测最高温度较优化前降低约4.5℃，轴向热位移减小约3.5μm，温度场均匀性也获得明显改善，验证了结构优化设计方法的有效性和仿真模型的可靠性。

29、3、第一环形梯形齿和若干第二环形梯形齿均为沿周向连续延伸的规则凸齿，仅轴向宽度不同，可采用常规数控车削或车铣复合加工成形，8 mm/4 mm工程化尺寸有利于加工工艺便利性、工程图规范性、制造经济性和装配可靠性。

30、4、本发明通过优化方法将响应面代理模型与多目标鲸鱼优化算法相结合，能够从pareto解集中综合权衡冷却性能、强度、标准化和装配可行性，输出既可达到优良热管理效果又便于直接制造的工程化尺寸参数，为电主轴t型冷却水套结构参数优化提供参考和方法。