Что такое шпиндель с водяным охлаждением
Шпиндель с водяным охлаждением это асинхронный электродвигатель, у которого вокруг статора проходит рубашка с каналами для жидкости. Шпиндели развивают большую мощность при небольших габаритах, поэтому при работе сильно нагреваются. Если тепло не отводить, перегреваются подшипники и обмотка, и шпиндель преждевременно выходит из строя. Жидкость забирает тепло через рубашку и уносит его в бак или радиатор, где оно рассеивается.
В отличие от воздушного шпинделя, у которого крыльчатка на валу слабеет вместе с оборотами, водяной контур отводит тепло одинаково на любых оборотах. Поэтому водяной шпиндель лучше переносит долгую работу, малые обороты с крупными фрезами и тише работает. Цена этого: отдельная система охлаждения, за которой нужно следить. Ниже разобраны устройство контура, расчёт расхода, выбор жидкости, помпы и трубок, защита от работы без протока и подготовка к холодному сезону.
Как устроен контур охлаждения
Контур замкнутый: жидкость из бака забирает помпа, по трубке подаёт её на входной штуцер шпинделя, жидкость проходит рубашку и по второй трубке возвращается в бак. В простом варианте бак служит и теплообменником, тепло уходит через его стенки и поверхность жидкости. Для мощных шпинделей и долгой работы в линию возврата ставят радиатор с вентилятором, он охлаждает жидкость до того, как она вернётся в бак.
Погружную помпу ставят на дно бака, тогда она не засасывает воздух и сама охлаждается жидкостью. Обратную трубку выводят в бак так, чтобы струю было видно: это самый простой способ убедиться, что жидкость идёт. Для автоматического контроля в линию ставят датчик протока.
Сколько жидкости нужно прокачивать
Расход считают из теплового баланса: Q = P / (c x ΔT), где P тепловая мощность, c теплоёмкость жидкости (у воды 4186 Дж/(кг·°C)), ΔT допустимый нагрев жидкости в шпинделе. Если КПД шпинделя 80%, в тепло уходит 20% мощности, у шпинделя 2.2 кВт это 440 Вт. Чтобы вода нагревалась в шпинделе не больше чем на 5 °C, через него нужно прокачивать 1.26 л/мин:
| Мощность шпинделя | Тепло при КПД 80% | Расход воды при нагреве на 5 °C | Расход воды при нагреве на 10 °C |
|---|
| 1.5 кВт | 300 Вт | 0.86 л/мин | 0.43 л/мин |
| 2.2 кВт | 440 Вт | 1.26 л/мин | 0.63 л/мин |
| 3 кВт | 600 Вт | 1.72 л/мин | 0.86 л/мин |
| 4.5 кВт | 900 Вт | 2.58 л/мин | 1.29 л/мин |
| 5.5 кВт | 1100 Вт | 3.15 л/мин | 1.58 л/мин |
Цифры небольшие, но реальный расход определяет сопротивление трубок, а не паспорт помпы. В тесте на форуме mycncuk садовая помпа прокачала через 10 м трубки с внутренним диаметром 5 мм только 30 л/ч, то есть 0.5 л/мин, и это меньше, чем нужно шпинделю 2.2 кВт. Поэтому трубки делают как можно короче, без лишних петель, и проверяют расход по струе на возврате: за минуту в мерную ёмкость должно набраться не меньше расчётного объёма.
Чем заправлять систему
Лучший теплоноситель для шпинделя дистиллированная вода: у неё наибольшая теплоёмкость, и она не оставляет накипи. Водопроводная вода откладывает накипь в рубашке и трубках, сечение каналов уменьшается, расход и охлаждение падают. В открытом баке на свету вода зацветает, водоросли забивают трубки, поэтому бак закрывают крышкой и делают непрозрачным, а воду меняют.
| Жидкость | Плюсы | Минусы |
|---|
| Дистиллированная вода | наибольшая теплоёмкость, не оставляет накипи | замерзает при 0 °C, в открытом баке зацветает |
| Водопроводная вода | всегда под рукой | накипь в рубашке и трубках, со временем падает расход |
| Смесь гликоля с водой 50/50 | не замерзает до минус 36 °C | теплоёмкость на 18.5% ниже, нужен больший расход, вязкость выше |
Гликолевый антифриз защищает от замерзания, но хуже переносит тепло: по данным Engineering Toolbox теплоёмкость смеси 50/50 составляет 0.815 от теплоёмкости воды. Чтобы нагрев жидкости остался прежним, расход нужно увеличить на 23%. Поэтому антифриз берут, когда мастерская не отапливается, и в концентрации, которой хватает для местной зимы, а не с запасом.
Помпа, трубки и герметичность
Помпа работает всё время, пока работает шпиндель, поэтому берут помпу, рассчитанную на длительную работу, с герметичным корпусом и защищёнными электрическими соединениями. Частая ошибка: дешёвая помпа, которая не рассчитана на непрерывную работу или пропускает воду к контактам.
Трубки нужны достаточно жёсткие, чтобы не пережиматься на изгибах и в кабель-канале. Часть трубок при нагреве выше 40 °C теряет форму и складывается. Трубки прокладывают вместе с кабелем шпинделя в кабель-канале с радиусом изгиба, при котором трубка не сплющивается, и фиксируют на штуцерах.
Герметичность проверяют до включения шпинделя: включают помпу, ждут, пока из контура выйдет воздух, и осматривают штуцеры и соединения. Капли рядом с разъёмом питания недопустимы, поэтому трубки и кабель разводят так, чтобы при утечке вода не стекала на разъём, частотник и блоки питания.
Защита от работы без протока
Водяной шпиндель нельзя запускать без протока: без воды рубашка не охлаждает статор, а гладкий корпус без обдува не рассчитан отдавать тепло в воздух. Самая надёжная защита это датчик протока, контакт которого разрешает работу шпинделя только при движении жидкости. Датчик подключают ко входу контроллера станка или в цепь пуска частотника, и при остановке помпы или пережатой трубке шпиндель останавливается.
Если датчика нет, помпу запитывают так, чтобы она включалась вместе со станком, а перед каждым запуском шпинделя проверяют струю на возврате. Во время работы следят за температурой корпуса шпинделя: если корпус стал горячим, работу останавливают и проверяют проток.
Мороз, простой и хранение
При замерзании вода расширяется на 9% и может разорвать рубашку шпинделя, трубки и корпус помпы. В неотапливаемой мастерской на время морозов систему либо полностью сливают и продувают рубашку, либо заправляют гликолевым антифризом. Смесь гликоля с водой 50/50 не замерзает до минус 36 °C.
После долгого простоя смазка в подшипниках густеет, поэтому шпиндель запускают медленно: полчаса на 25% от максимальных оборотов, затем 15 минут на 50%, и только потом выводят на полные обороты. Контур перед этим проверяют на протечки и меняют застоявшуюся воду.
Типичные ошибки
- Включить шпиндель раньше помпы или без проверки струи на возврате.
- Заправить систему водопроводной водой и годами её не менять.
- Взять длинные тонкие трубки и не проверить реальный расход.
- Поставить помпу, которая не рассчитана на длительную работу.
- Оставить воду в контуре на зиму в неотапливаемом помещении.
- Проложить трубки так, что при утечке вода попадает на разъём или частотник.
