基于相变传热的精密机床整机冷却机理研究

According to the needs of the controlling of dynamic thermal characteristics and cooling system for the high-speed precision CNC machine tool, the method of applying the oscillation heat pipe cooling technology to machine tools is proposed based on former research of thermal-mechanical analysis and thermal error compensation technology for the machine tool.Basic scientific issues such as heat transfer mechanism of oscillating heat pipes and overall designing of the machine tool under thermal loads would be studied utilizing theoretical, simulational and experimental methods combining. The numerical simulation method of heat loads of the machine tool and the physical parameters of oscillating heat pipe would be proposed, the vapor-liquid flow and phase change heat transferring mechanism under heat source excitation and different work conditions would be revealed. The coupling mechanism of the multi-field heat load and the inner tube heat transfer process for the precision machine tool would be analyzed, multi - heat - coupled multi-physics model oscillation heat pipe would be established and the evolution and mutual incentives of the various gas and liquid inside the heat pipe after the cooling system constitution of oscillating heat pipe cooling system would be clarified. An optimization design method and an overall heat transfer effectiveness evaluation criteria of the machine tool oscillating heat pipe cooling system would be proposed, efficient cooling control, heat deformation suppressing and cooling costs reducing would be accomplished.

项目针对精密高速机床动态热特性及整机冷却控制的需求，在前期机床热刚度分析及热误差补偿技术研究基础上，提出了将振荡热管技术应用到整机冷却中。采用理论仿真与实验相结合的方法，对机床热载荷下振荡热管传热机理及整机热管系统设计方法等基础科学问题进行研究。提出精密机床热载荷与振荡热管物性参数的数值模拟方法，揭示不同工况下单个振荡热管在机床各热源激励下的汽液流动与相变传热机理；分析精密机床整机热管冷却系统的外场多热源载荷与管内传热过程的协同耦合机制，建立多热源-多振荡热管的耦合物理模型，阐明多个振荡热管构成整机冷却系统后各热管内部气液演变过程及其相互激励机制；研究机床多热源-多热管空间拓扑结构对精密机床整机冷却性能的影响规律，提出整机振荡热管冷却系统的优化设计方法和传热效能评价准则，实现精密机床整机高效冷却控制，抑制热变形，降低冷却成本。

项目围绕精密机床热变形控制设计了高效节能的冷却系统，研究了相变传热及气液耦合传热规律，从机床热量生成机理、高效的冷却结构设计、冷却介质的选择、自适应的振荡热管冷却控制系统以及相变传热规律等多方面研究精密机床热量传递及控制问题，提出了基于振荡相变传热的整机冷却方法，并在精密坐标镗床实验平台上进行验证。建立了机床热源与单个振荡热管参数的数值分析模型，研究了不同物性参数对振荡相变传热的影响规律，揭示了精密机床热载荷下热管的流型演变过程和振荡相变传热机理；分析了精密机床不同运行工况下单个振荡热管在精密机床各个热源作用条件下振荡相变的流动和传热规律；研究了进给系统以及电主轴系统的热量耗散及传递规律，建立了机床动态温度场的导热偏微分方程，并给出了基于伽辽金加权有限元的动态温度场的数值计算方法，推导了机床的热-弹性力学方程式，建立了机床热-结构耦合的有限元动态分析模型。给出了由工况参数驱动的内热源热量生成的精确预估模型，并引入了基于分形理论与蒙特卡洛法的接触热阻分形模型，对接触热阻以及对流换热系数等边界条件进行了计算；提出了基于接触角迭代法的滚动轴承生热功率求解方法，改进了传统Newton-Raphson算法求解轴承拟静力学时精度低且收敛慢的缺陷，有效提高了收敛速度和仿真精度，实现了进给系统与电主轴系统温度场/热变形场的量化分析。针对不同工况下机床热误差与温度场的量度问题，提出了一种整机热特性测试方法，并完成了测量系统的软/硬件设计，实现了对不同工况下数控机床热变形等状态信息的在线实时同步测量，为热误差的溯源及建模提供了基础，并分析了机床的热误差/温度场在不同工况下的时域特性及其演变历程。项目研究内容为精密机床主动温度控制提供了一种新思路，对机床热平衡设计及先进的冷却控制等关键技术的研究具有重要的学术意义。