Що таке шпиндель із водяним охолодженням
Шпиндель із водяним охолодженням це асинхронний електродвигун, у якого навколо статора проходить сорочка з каналами для рідини. Шпинделі розвивають велику потужність при невеликих габаритах, тому під час роботи сильно нагріваються. Якщо тепло не відводити, перегріваються підшипники й обмотка, і шпиндель передчасно виходить з ладу. Рідина забирає тепло через сорочку й несе його в бак або радіатор, де воно розсіюється.
На відміну від повітряного шпинделя, у якого крильчатка на валу слабшає разом з обертами, водяний контур відводить тепло однаково на будь-яких обертах. Тому водяний шпиндель краще переносить тривалу роботу, малі оберти з великими фрезами й тихіше працює. Ціна цього: окрема система охолодження, за якою треба стежити. Нижче розібрано будову контуру, розрахунок витрати, вибір рідини, помпи й трубок, захист від роботи без протоку та підготовку до холодного сезону.
Як влаштований контур охолодження
Контур замкнений: рідину з бака забирає помпа, трубкою подає її на вхідний штуцер шпинделя, рідина проходить сорочку й другою трубкою повертається в бак. У простому варіанті бак служить і теплообмінником, тепло йде через його стінки й поверхню рідини. Для потужних шпинделів і тривалої роботи в лінію повернення ставлять радіатор із вентилятором, він охолоджує рідину до того, як вона повернеться в бак.
Занурювальну помпу ставлять на дно бака, тоді вона не засмоктує повітря й сама охолоджується рідиною. Зворотну трубку виводять у бак так, щоб струмінь було видно: це найпростіший спосіб переконатися, що рідина йде. Для автоматичного контролю в лінію ставлять датчик протоку.
Скільки рідини треба прокачувати
Витрату рахують із теплового балансу: Q = P / (c x ΔT), де P теплова потужність, c теплоємність рідини (у води 4186 Дж/(кг·°C)), ΔT допустиме нагрівання рідини в шпинделі. Якщо ККД шпинделя 80%, у тепло йде 20% потужності, у шпинделя 2.2 кВт це 440 Вт. Щоб вода нагрівалася в шпинделі не більше ніж на 5 °C, через нього треба прокачувати 1.26 л/хв:
| Потужність шпинделя | Тепло при ККД 80% | Витрата води при нагріванні на 5 °C | Витрата води при нагріванні на 10 °C |
|---|
| 1.5 кВт | 300 Вт | 0.86 л/хв | 0.43 л/хв |
| 2.2 кВт | 440 Вт | 1.26 л/хв | 0.63 л/хв |
| 3 кВт | 600 Вт | 1.72 л/хв | 0.86 л/хв |
| 4.5 кВт | 900 Вт | 2.58 л/хв | 1.29 л/хв |
| 5.5 кВт | 1100 Вт | 3.15 л/хв | 1.58 л/хв |
Цифри невеликі, але реальну витрату визначає опір трубок, а не паспорт помпи. У тесті на форумі mycncuk садова помпа прокачала через 10 м трубки з внутрішнім діаметром 5 мм лише 30 л/год, тобто 0.5 л/хв, і це менше, ніж потрібно шпинделю 2.2 кВт. Тому трубки роблять якомога коротшими, без зайвих петель, і перевіряють витрату за струменем на поверненні: за хвилину в мірну ємність має набратися не менше розрахункового об’єму.
Чим заправляти систему
Найкращий теплоносій для шпинделя дистильована вода: у неї найбільша теплоємність, і вона не залишає накипу. Водопровідна вода відкладає накип у сорочці й трубках, переріз каналів зменшується, витрата й охолодження падають. У відкритому баку на світлі вода зацвітає, водорості забивають трубки, тому бак закривають кришкою й роблять непрозорим, а воду міняють.
| Рідина | Плюси | Мінуси |
|---|
| Дистильована вода | найбільша теплоємність, не залишає накипу | замерзає при 0 °C, у відкритому баку зацвітає |
| Водопровідна вода | завжди під рукою | накип у сорочці й трубках, з часом падає витрата |
| Суміш гліколю з водою 50/50 | не замерзає до мінус 36 °C | теплоємність на 18.5% нижча, потрібна більша витрата, в’язкість вища |
Гліколевий антифриз захищає від замерзання, але гірше переносить тепло: за даними Engineering Toolbox теплоємність суміші 50/50 становить 0.815 від теплоємності води. Щоб нагрівання рідини залишилося колишнім, витрату треба збільшити на 23%. Тому антифриз беруть, коли майстерня не опалюється, і в концентрації, якої вистачає для місцевої зими, а не із запасом.
Помпа, трубки й герметичність
Помпа працює весь час, поки працює шпиндель, тому беруть помпу, розраховану на тривалу роботу, з герметичним корпусом і захищеними електричними з’єднаннями. Часта помилка: дешева помпа, яка не розрахована на безперервну роботу або пропускає воду до контактів.
Трубки потрібні досить жорсткі, щоб не перетискатися на згинах і в кабель-каналі. Частина трубок при нагріванні понад 40 °C втрачає форму й складається. Трубки прокладають разом із кабелем шпинделя в кабель-каналі з радіусом згину, при якому трубка не сплющується, і фіксують на штуцерах.
Герметичність перевіряють до ввімкнення шпинделя: вмикають помпу, чекають, поки з контуру вийде повітря, і оглядають штуцери та з’єднання. Краплі поруч із роз’ємом живлення неприпустимі, тому трубки й кабель розводять так, щоб у разі витоку вода не стікала на роз’єм, частотник і блоки живлення.
Захист від роботи без протоку
Водяний шпиндель не можна запускати без протоку: без води сорочка не охолоджує статор, а гладкий корпус без обдуву не розрахований віддавати тепло в повітря. Найнадійніший захист це датчик протоку, контакт якого дозволяє роботу шпинделя лише під час руху рідини. Датчик підключають до входу контролера верстата або в коло пуску частотника, і в разі зупинки помпи чи перетиснутої трубки шпиндель зупиняється.
Якщо датчика немає, помпу живлять так, щоб вона вмикалася разом із верстатом, а перед кожним запуском шпинделя перевіряють струмінь на поверненні. Під час роботи стежать за температурою корпусу шпинделя: якщо корпус став гарячим, роботу зупиняють і перевіряють протік.
Мороз, простій і зберігання
Під час замерзання вода розширюється на 9% і може розірвати сорочку шпинделя, трубки й корпус помпи. У неопалюваній майстерні на час морозів систему або повністю зливають і продувають сорочку, або заправляють гліколевим антифризом. Суміш гліколю з водою 50/50 не замерзає до мінус 36 °C.
Після тривалого простою мастило в підшипниках густішає, тому шпиндель запускають повільно: пів години на 25% від максимальних обертів, далі 15 хвилин на 50%, і лише потім виводять на повні оберти. Контур перед цим перевіряють на протікання й міняють застояну воду.
Типові помилки
- Увімкнути шпиндель раніше за помпу або без перевірки струменя на поверненні.
- Заправити систему водопровідною водою й роками її не міняти.
- Взяти довгі тонкі трубки й не перевірити реальну витрату.
- Поставити помпу, яка не розрахована на тривалу роботу.
- Залишити воду в контурі на зиму в неопалюваному приміщенні.
- Прокласти трубки так, що в разі витоку вода потрапляє на роз’єм або частотник.
