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内置平行轴旋转热管的高速 转轴的热-结构特性测试系统

阅读：426发布：2023-09-26

专利汇可以提供内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性测试系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，包括安装在底座上的驱动电机，驱动电机和转轴前端连接，转轴内部设置有平行轴旋转热管冷却结构，转轴前端外部设有陶瓷加热圈，陶瓷加热圈由可调直流电源供电；转轴中部为绝热段，包裹保温棉进行隔热；转轴后端设置冷却腔室，利用压缩空气对冷却腔室进行强制对流冷却，转轴后端端头设置有电涡流位移传感器，采用热电偶测量转轴的表面温度，热电偶的测温信号通过无线测温模块进行传输，在计算机上存储和显示；本发明能对内置平行轴旋转热管冷却结构的转轴在不同转速、加热功率和传热流体的充液率等因素影响下的传热性能和机械性能进行测试，具有成本低廉、通用性强等优点。，下面是内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性测试系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：包括安装在底座(1)上的驱动电机(2)，驱动电机(2)的输出轴通过联轴器(3)和转轴(4)前端连接，转轴(4)内部设置有平行轴旋转热管冷却结构(7)，转轴(4)由前轴承(5)和后轴承(14)支撑在轴承座上，轴承座安装在底座(1)上；
所述的转轴(4)前端外部设有陶瓷加热圈(6)，采用陶瓷加热圈(6)对转轴(4)前端进行非接触式加热，陶瓷加热圈(6)由可调直流电源(18)供电；
所述的转轴(4)的中部为绝热段，包裹保温棉进行隔热；
所述的转轴(4)的后端设置冷却腔室(10)，通过空气压缩机(13)利用压缩空气对冷却腔室(10)进行强制对流冷却，转轴(4)的后端端头设置有电涡流位移传感器(16)，采用热电偶(9)测量转轴(4)的表面温度，热电偶(9)的测温信号通过无线测温模块(8)进行传输，在计算机(17)上存储和显示。
2.根据权利要求1所述的一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：所述的前轴承(5)的外圈完全约束，而后轴承(14)的外圈则固定在滑套(19)上，因此转轴(4)在受热后允许有沿轴向方向的自由度。
3.根据权利要求2所述的一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：在传热测试过程中，首先需要在Wi-Fi环境下，在计算机(17)上建立与无线测温模块(8)的通讯连接，等待信号接收稳定后，再通过可调直流电源(18)至预期的输出功率，对转轴(4)的前端进行加热，同时开启驱动电机(2)牵引转轴(4)进入工作状态，待计算机(17)上的温度示数稳定，即在特定的转速和加热功率下，温度示数在5分钟内的波动小于
0.5℃后，改变驱动电机(2)的转速或可调直流电源(18)的加热功率进行下一个工况的传热性能测试；同时，还需要借助电涡流位移传感器(16)测量转轴(4)在当前热稳定状态下轴端的热伸长量。
4.根据权利要求1所述的一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：所述的平行轴旋转热管冷却结构(7)的流道由四根在转轴(4)表面上铣削出的槽道组成，再通过在其上方过盈配合一层附加材料实现流道密封；在实验过程中，平行轴旋转热管冷却结构(7)通过安装在转轴(4)端部的微型球阀(15)，完成抽真空、注液，并最终密封。
5.根据权利要求1所述的一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：所述的无线测温模块(8)具有通讯和存储功能，具备基于Wi-Fi的无线传输功能，能够将电热偶(9)采集的温度数据传输至同一Wi-Fi环境下的计算机(17)进行存储和显示；在试验过程中，无线测温模块(8)通过电路盒固定在转轴(4)上，工作时与转轴(4)一起旋转。
6.根据权利要求1所述的一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，其特征在于：所述的热电偶(9)监测转轴(4)加热段和冷却段表面的温度。

说明书全文

内置平行轴旋转热管的高速 转轴的热-结构特性测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及高速转轴冷却技术领域，尤其涉及一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统。

背景技术

[0002] 现有的高速转轴冷却方案通常关注几个关键部件，首先是针对轴承的生热问题，常用的解决方案是采用油-气(雾)润滑技术，在对轴承进行润滑的同时带走部分热量，使得轴承的发热问题得到一定程度的改善。其次是针对电主轴中静止部件产生的热量，常用的方案是在定子外侧的壳体上加工出螺旋冷却流道，利用冷却水(油)的循环流动，通过对流换热带走大约电主轴内部产生热量的2/3。而对于电机转子的发热问题，目前较好的解决方案是通过旋转密封接头将高压冷却流体通入转轴内部的冷却通道，利用冷却工质与通道壁面之间的对流换热，实现电主轴内部热量的引出。但是该方案存在以下弊端：①高转速下通入冷却流体的旋转密封成本较高；②根据相关的试验结果，在电主轴的运行过程中，前、后轴承的外圈及底座、电机的定子与转子之间的气隙等部位温升明显，而这些位置在结构上距离主轴回转轴心较远，因而采用向转轴轴心通入冷却液的方式对解决这些部位发热问题来说作用有限；③通常情况下，通入转轴轴心的冷却流体将直接喷射到被加工件上，虽然可以同时起到降低加工刀具温升的作用，但容易造成浪费，不符合绿色制造、节能环保的要求，因此轴心冷却方案在实际中的应用较少。

[0003] 热管(或称热导管)是一种具有快速均温特性的特殊导热元件，旋转热管特指工作在旋转状态下的热管，与传统热管类似，其结构上也可划分为吸热端(蒸发端)、绝热段和放热端(冷凝端)三个部分，旋转热管内部的液相传热流体主要依靠高速旋转产生的离心力作为回流驱动力。按照回转轴心与几何轴心的相对位置关系，旋转热管一般可以分为：平行轴旋转热管，径向旋转热管和同轴旋转热管。作为最常见的一种旋转热管类型，平行轴旋转热管多应用在高速电机转子、高速轴承内圈和汽轮机转轴等旋转部件的冷却设计中。

[0004] 目前尚未发现关于内置平行轴旋转热管冷却结构对转轴传热和结构性能影响的测试技术和系统的文献公开。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，能模拟真实状态下电主轴内部轴承-主轴系统的热环境和约束边界条件，对内置平行轴旋转热管冷却结构的转轴在不同转速、加热功率和传热流体的充液率等因素影响下的传热性能和机械性能进行测试和验证，进而得到内置平行轴旋转热管结构的转轴的当量热导率，为特定转速和加热功率下最优充液率的选取提供依据；同时试验系统具有成本低廉、通用性强、可靠性高和实施方便等优点。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，包括安装在底座1上的驱动电机2，驱动电机2的输出轴通过联轴器3和转轴4前端连接，转轴4内部设置有平行轴旋转热管冷却结构7，转轴4由前轴承5和后轴承14支撑在轴承座上，轴承座安装在底座1上；

[0008] 所述的转轴4前端外部设有陶瓷加热圈6，采用陶瓷加热圈6对转轴4前端进行非接触式加热，陶瓷加热圈6由可调直流电源18供电；

[0009] 所述的转轴4的中部为绝热段，包裹保温棉进行隔热；

[0010] 所述的转轴4的后端设置冷却腔室10，通过空气压缩机13利用压缩空气对冷却腔室10进行强制对流冷却，转轴4的后端端头设置有电涡流位移传感器16，采用热电偶9测量转轴4的表面温度，热电偶9的测温信号通过无线测温模块8进行传输，在计算机17上存储和显示。

[0011] 所述的前轴承5的外圈完全约束，而后轴承14的外圈则固定在滑套19上，因此转轴4在受热后允许有沿轴向方向的自由度。

[0012] 在传热测试过程中，首先需要在Wi-Fi环境下，在计算机17上建立与无线测温模块8的通讯连接，等待信号接收稳定后，再通过可调直流电源18调整至预期的输出功率，对转轴4的前端进行加热，同时开启驱动电机2牵引转轴4进入工作状态，待计算机17上的温度示数稳定，即在特定的转速和加热功率下，温度示数在5分钟内的波动小于0.5℃后，改变驱动电机2的转速或可调直流电源18的加热功率进行下一个工况的传热性能测试；同时，还需要借助电涡流位移传感器16测量转轴4在当前热稳定状态下轴端的热伸长量。

[0013] 所述的平行轴旋转热管冷却结构7的流道由四根在转轴4表面上铣削出的槽道组成，再通过在其上方过盈配合一层附加材料实现流道密封；在实验过程中，平行轴旋转热管冷却结构7通过安装在转轴4端部的微型球阀15，完成抽真空、注液，并最终密封。

[0014] 所述的无线测温模块8上具有通讯和存储功能，具备基于Wi-Fi的无线传输功能，能够将电热偶9采集的温度数据传输至同一Wi-Fi环境下的计算机17进行存储和显示；在试验过程中，无线测温模块8通过电路盒固定在转轴4上，工作时与转轴4一起旋转。

[0015] 所述的热电偶9负责监测转轴4加热段和冷却段表面的温度。

[0016] 本发明与现有技术相比的优势在于：

[0017] 本发明实现了内置平行轴旋转热管冷却结构的高速转轴在不同转速、加热功率下的热-结构性能测试，获得的实验数据可以作为平行轴旋转热管在高速电机、汽轮机转轴等冷却领域应用的设计依据。因此，本发明对于热管冷却技术在此类场合的应用具有非常重要的意义；同时，本发明系统实施相对简单，成本较低，具有结构紧凑、运行稳定、实用性强等特点。附图说明

[0018] 图1是本发明的结构示意图。

[0019] 图2是转轴的结构示意图。

[0020] 图3是转轴表面热电偶测点分布示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明作详细描述。

[0022] 参照图1和图2，一种内置平行轴旋转热管的高速转轴的热-结构特性试验系统，包括安装在底座1上的驱动电机2，驱动电机2的输出轴通过联轴器3和转轴4前端连接，转轴4内部设置有平行轴旋转热管冷却结构7，转轴4由前轴承5和后轴承14支撑在轴承座上，轴承座安装在底座1上；

[0023] 转轴4前端外部设有陶瓷加热圈6，采用陶瓷加热圈6对转轴4一端进行非接触式加热，陶瓷加热圈6由可调直流电源18供电，通过可调直流电源18调整输入的电压和电流，从而实现陶瓷加热圈6不同加热功率的输入；

[0024] 转轴4的中部为绝热段，包裹保温棉进行隔热；

[0025] 转轴4的后端设置冷却腔室10，通过空气压缩机13利用压缩空气对冷却腔室10进行强制对流冷却，转轴4的后端端头设置有电涡流位移传感器16；在测试过程中，采用热电偶9测量转轴4的表面温度，热电偶9的布置方案如图3所示；热电偶9的测温信号通过无线测温模块8进行传输，在计算机17上存储和显示；在传热测试过程中，首先需要在Wi-Fi环境下，在计算机17上建立与无线测温模块8的通讯连接，等待信号接收稳定后，再通过可调直流电源18调整至预期的输出功率，对转轴4的前端进行加热，同时开启驱动电机2牵引转轴4进入工作状态，待计算机17上的温度示数稳定，即在特定的转速和加热功率下，温度示数在5分钟内的波动小于0.5℃后，改变驱动电机2的转速或可调直流电源18的加热功率进行下一个工况的传热性能测试；同时，还需要借助电涡流位移传感器16测量转轴4在当前热稳定状态下轴端的热伸长量。

[0026] 所述的前轴承5的外圈完全约束，而后轴承14的外圈则固定在滑套19上，因此转轴4在受热后允许有沿轴向方向的自由度。

[0027] 所述的平行轴旋转热管冷却结构7的流道由四根在转轴4表面上铣削出的槽道组成，再通过在其上方过盈配合一层附加材料实现流道密封；在实验过程中，平行轴旋转热管冷却结构7通过安装在转轴4端部的微型球阀15，完成抽真空、注液，并最终密封。

[0028] 所述的无线测温模块8具有通讯和存储功能，具备基于Wi-Fi的无线传输功能，能够将电热偶9采集的温度数据传输至同一Wi-Fi环境下的计算机17进行存储和显示；在试验过程中，无线测温模块8通过电路盒固定在转轴4上，工作时与转轴4一起旋转。

[0029] 本发明的工作原理为：

[0030] 本发明可以在较低的成本下测试转轴4在填充不同种类、充液率的传热流体在特定转速和加热功率下的转轴温升数据，以此结果评估内置平行轴旋转热管冷却结构7对转轴4本身传热特性的影响，同时，还可以实现转轴4受热后轴端位移量的测量，以此作为评估内置平行轴旋转热管冷却结构7对转轴4自身结构性能的影响。实验过程中，采用陶瓷加热圈6对转轴4前端进行加热，并通过可调直流电源18调整输出电压和电流实现不同的加热功率，转轴4中部作为绝热段，包裹保温棉进行隔热处理，而转轴4后端则设置冷却腔室10，借助压缩空气对转轴4表面进行冲击冷却。转轴4运动部分的温度测量则通过基于Wi-Fi的热电偶9的无线温度采集模块8实现，静止部分的温度测量则由NI 数据采集系统和热电偶完成；同时采用电涡流位移传感器16测量转轴4轴端的热伸长量；整个系统由驱动电机2进行驱动，并可通过控制模块来实现不同转速的测试需求。

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