高速角接觸球軸承腔內(nèi)氣相流動與傳熱特性研究

翟強(qiáng),閆柯,,張優(yōu)云,洪軍,朱永生

(1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

高速角接觸球軸承腔內(nèi)氣相流動與傳熱特性研究

翟強(qiáng)1,閆柯1,2,張優(yōu)云1,洪軍2,朱永生2

(1.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

針對高速運(yùn)轉(zhuǎn)滾動軸承腔內(nèi)空氣在接觸區(qū)周圍形成的高壓區(qū)阻礙潤滑介質(zhì)進(jìn)入,從而導(dǎo)致供油效率降低的問題,以B7008C角接觸球軸承為研究對象,考慮軸承幾何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),建立了角接觸球軸承腔內(nèi)氣相流動模型,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系描述軸承各組件運(yùn)動,分析滾動軸承在不同轉(zhuǎn)速與保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣相流動。用該模型分析了軸承腔內(nèi)氣相流場,揭示了軸承公轉(zhuǎn)、鋼球自旋、保持架結(jié)構(gòu)等因素對軸承腔內(nèi)氣相流型與傳熱效率的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速升高,氣流速度升高,軸承腔內(nèi)壓差增大;高速下鋼球的自旋效應(yīng)使軸承腔內(nèi)氣壓升高,分布不均勻性加劇;保持架兜孔形狀、兜孔結(jié)構(gòu)等參數(shù)影響換熱效率與壓力場分布,隨兜孔間隙增大,保持架對流換熱系數(shù)升高。軸端貼近軸承內(nèi)圈處是配置供油單元出口的理想位置。

高速角接觸球軸承;氣相流場;換熱效率;保持架結(jié)構(gòu)

軸承內(nèi)部良好的潤滑狀態(tài)是抑制其摩擦溫升、改善滾動軸承服役性能的關(guān)鍵。隨著極限轉(zhuǎn)速的不斷升高,軸承腔內(nèi)氣相流動劇烈,壓差增大,鋼球周圍形成高速旋渦,鋼球滾道接觸區(qū)周圍形成高壓區(qū),使得潤滑介質(zhì)難以有效進(jìn)入[1],從而導(dǎo)致軸承接觸區(qū)潤滑不良及摩擦溫升,甚至誘發(fā)軸承失效等。近年來,NTN等公司已經(jīng)嘗試設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)潤滑單元,力求減弱氣相流動對供油的影響,以改善軸承內(nèi)部潤滑狀態(tài),提高潤滑效率[2]。

深入研究軸承腔內(nèi)的氣相流動特性,對于優(yōu)化軸承供油單元設(shè)計(jì)與配置方式,提高潤滑性能,抑制摩擦發(fā)熱具有重要的意義。然而,由于軸承內(nèi)部接觸及運(yùn)動邊界的復(fù)雜性,難以理論分析軸承內(nèi)部的真實(shí)流動特性。Kim等忽略保持架,建立了角接觸球軸承內(nèi)部流型分析模型,對軸承腔內(nèi)的氣相流動進(jìn)行了分析,在此模型基礎(chǔ)上Oh等增加了保持架結(jié)構(gòu),分析了不考慮內(nèi)外圈在軸向的曲率變化的軸承腔內(nèi)流場特性[3]。Cui等指出,軸腔幾何形狀及運(yùn)動共同決定著流場特性,其對于腔內(nèi)潤滑油分布,換熱冷卻效率有重要的影響[4-7]。

由于軸承結(jié)構(gòu)與運(yùn)動形式的復(fù)雜性,目前尚缺乏高精度的軸承內(nèi)部流動分析模型,對于軸承腔內(nèi)氣相流動的研究,均未涉及軸承部件結(jié)構(gòu)變化對內(nèi)部流場的影響。

針對上述問題,本文以B7008C角接觸球軸承為研究對象,考慮軸承幾何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),建立了角接觸球軸承腔內(nèi)氣相流動模型,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系描述軸承各組件運(yùn)動,分析滾動軸承在不同轉(zhuǎn)速與保持架結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣相流動,為優(yōu)化保持架結(jié)構(gòu)、改進(jìn)潤滑方式、提高換熱效率提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

角接觸球軸承的運(yùn)動形式復(fù)雜,內(nèi)圈、保持架和滾動體以各自的速度公轉(zhuǎn),鋼球除公轉(zhuǎn)外還有自旋運(yùn)動。為了準(zhǔn)確地模擬其運(yùn)動形式,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系描述其運(yùn)動形式。

軸承腔體高速旋轉(zhuǎn),相對于慣性坐標(biāo)系以ω的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。其內(nèi)部一點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)為

v=vr+ur

ur=vt+ω×r

(1)

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)流體的質(zhì)量、動量及能量守恒方程分別修正為[8]

(2)

(3)

(4)

1.2 幾何模型

圖1為B7008C角接觸球軸承幾何模型,尺寸見表1。為了提高計(jì)算效率,根據(jù)其結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)周期性,對其1/18模型進(jìn)行計(jì)算。對接觸區(qū)域網(wǎng)格加密,確保計(jì)算精度。

(a)整體結(jié)構(gòu) (b)1/18計(jì)算流域

表1 B7008C軸承幾何參數(shù)

1.3 邊界條件

軸承外圈設(shè)為靜止壁面;內(nèi)圈、保持架、鋼球設(shè)置為動壁面,速度由式(5)～式(7)確定[9]。軸向兩端面與大氣連通,設(shè)為常壓。徑向兩端面設(shè)置為內(nèi)部周期面。根據(jù)B7008C軸承實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù),對各壁面設(shè)定熱平衡狀態(tài)下溫度,用于觀測不同幾何參數(shù)及運(yùn)行工況下軸承腔內(nèi)傳熱性能影響,參數(shù)見表2。每一迭代步的質(zhì)量、速度和能量的殘差收斂閾值均設(shè)為1×10-6,并觀測進(jìn)出口質(zhì)量流量,當(dāng)進(jìn)出口凈通量低于入口流量的0.2%時(shí),停止迭代計(jì)算。計(jì)算結(jié)果獨(dú)立于網(wǎng)格。

nc=ni(1-γ)/2

(5)

nw=dmni(1-γ2)/2D

(6)

r=Dcosα/dm

(7)

式中:ni是軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速;nc是鋼球及保持架公轉(zhuǎn)速度;nw是鋼球自旋速度;D是鋼球直徑;dm是節(jié)圓直徑。

表2 計(jì)算參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 軸承腔內(nèi)氣流流型

角接觸球軸承腔內(nèi)氣相流型由軸承的運(yùn)動形式與幾何結(jié)構(gòu)共同決定。圖2是公轉(zhuǎn)速度為1×104r/min時(shí),角接觸球軸承腔內(nèi)空氣流型。由圖可見,氣流方向整體上與軸承公轉(zhuǎn)方向一致。由于鋼球相對于靜止外圈的高速轉(zhuǎn)動,在內(nèi)外滾道接觸區(qū)出現(xiàn)負(fù)壓,負(fù)壓區(qū)周圍形成高壓區(qū)。鋼球公轉(zhuǎn)方向前側(cè)壓強(qiáng)較大。

圖2 軸承腔內(nèi)壓強(qiáng)分布與流線

圖3為角接觸球軸承徑向與軸向中心截面速度分布與流線,內(nèi)圈附近氣流速度較高,外圈附近速度較低,氣流速度在徑向平面內(nèi)分布變化較大。氣流由軸端貼近內(nèi)圈處(見圖3中A、B)進(jìn)入軸承腔體,并于鋼球兩側(cè)形成對稱的旋渦,受鋼球自旋影響,分別自保持架引導(dǎo)間隙和保持架下側(cè)區(qū)域流出。軸向平面內(nèi),除內(nèi)外滾道區(qū)域,速度分布較均勻;氣流流向與公轉(zhuǎn)方向一致。

(a)徑向中心截面

(b)軸向中心截面

(a)不考慮鋼球自旋

(b)考慮鋼球自旋

2.2 軸承運(yùn)動對氣體流型的影響

2.2.1 運(yùn)動形式對氣體流型的影響 分別計(jì)算考慮鋼球自旋和不考慮鋼球自旋兩種邊界條件下B7008C軸承腔內(nèi)空氣流動,對比鋼球自旋對軸承腔內(nèi)流場與換熱效率影響。圖4為兩種邊界條件下軸承腔內(nèi)鋼球周圍壓強(qiáng)分布與流線(公轉(zhuǎn)速度2×104r/min)?？紤]鋼球自旋后,軸承腔內(nèi)平均氣壓升高。不考慮鋼球自旋時(shí)最低氣壓為-303.12 Pa,最高氣壓為275.3 Pa,平均氣壓為17.43 Pa;考慮自旋后,最低氣壓為-1011.50Pa,最高氣壓為309.47 Pa,平均氣壓為23.22 Pa,最低、最高氣壓值均增大,其中負(fù)壓變化尤為明顯。同時(shí),不考慮自旋時(shí),鋼球周圍氣體流動方向與公轉(zhuǎn)方向吻合;考慮自旋后,在鋼球的帶動下,氣流徑向速度加大,自近外滾道接觸處低壓區(qū)一側(cè)流向另一側(cè),流向與自旋方向一致,鋼球的自旋運(yùn)動使保持架上下氣體交換加強(qiáng)。

圖5為考慮與不考慮鋼球自旋的軸承徑向中心截面速度分布與流線,可見鋼球的自旋使氣體流速升高,鋼球周圍旋渦加大,空氣流動方向性增強(qiáng),鋼球兩側(cè)氣流運(yùn)動趨于對稱。不考慮鋼球自旋運(yùn)動時(shí)表面換熱系數(shù)為44.13 W/m2·K,考慮自旋后表面換熱系數(shù)為61.81W/m2·K。自旋使球表面流速增大,換熱系數(shù)提高。

(a)不考慮鋼球自旋

(b)考慮鋼球自旋

2.2.2 轉(zhuǎn)速對氣體流型的影響 分別計(jì)算了1×104r/min～3.5×104r/min下的軸承腔內(nèi)流場,用于分析轉(zhuǎn)速影響作用。圖6為各轉(zhuǎn)速下軸承腔內(nèi)的氣壓分布,隨轉(zhuǎn)速的升高,最高氣壓與最低氣壓值增大,軸承腔內(nèi)氣壓分布不均勻性增大,與文獻(xiàn)[4]中計(jì)算結(jié)果趨勢一致,平均氣壓升高。

圖6 轉(zhuǎn)速對氣壓分布的影響

圖7為軸承腔內(nèi)氣流速度及保持架表面換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系,隨著轉(zhuǎn)速升高,軸承腔內(nèi)平均流速與最大流速均升高,其中最大流速出現(xiàn)在內(nèi)滾道區(qū)域,最小流速變化不大,出現(xiàn)在外滾道區(qū)域。同時(shí),隨著轉(zhuǎn)速的提高,軸承腔內(nèi)的溫度降低,保持架表面對流換熱系數(shù)升高。提高轉(zhuǎn)速有利于提高空氣的換熱性能。

圖7 轉(zhuǎn)速對軸承腔內(nèi)速度場及保持架換熱的影響

(a)1.0×104 r/min (b)1.5×104 r/min

(c)2.0×104 r/min (d)2.5×104 r/min

(e)3.0×104 r/min (f)3.5×104 r/min

圖8為不同轉(zhuǎn)速下角接觸球軸承徑向中心截面上的流線圖,由圖可知,在低轉(zhuǎn)速下,軸端兩側(cè)面均有氣流流入,隨著轉(zhuǎn)速的升高,在軸端截面積較小一側(cè)(A側(cè))的旋渦氣流愈加劇烈,由該側(cè)進(jìn)入軸承內(nèi)部的氣流減少。對于油氣兩相潤滑,低速時(shí)可任意選擇軸承端面(A或B側(cè))安裝潤滑單元供給油氣,同時(shí)應(yīng)盡量貼近內(nèi)圈,以減小軸腔內(nèi)氣流對潤滑介質(zhì)的阻礙作用。對于高速運(yùn)行的角接觸球軸承,應(yīng)將潤滑單元配置于軸承軸端截面面積較大一側(cè)(B側(cè)),以提高供油效率及潤滑性能。

2.3 保持架結(jié)構(gòu)對軸承腔內(nèi)流場與換熱影響

2.3.1 保持架結(jié)構(gòu)的影響 對比分析3種保持架結(jié)構(gòu)軸承,具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 3種保持架的幾何結(jié)構(gòu)

圖10所示為3種不同保持架角接觸球軸承徑向中心截面溫度云圖(公轉(zhuǎn)速度為3×104r/min)。隨著保持架結(jié)構(gòu)形式的改變,其溫度分布也發(fā)生變化,溫度較高區(qū)域集中于鋼球與保持架接觸區(qū)周圍。3種保持架結(jié)構(gòu)對流腔內(nèi)速度場分布影響不大。

圖10 不同保持架軸承徑向截面溫度

圖11為保持架對流換熱系數(shù)及其周圍的最高氣壓。柱形兜孔保持架的對流換熱系數(shù)最高,歸因于其與鋼球間空間較大,高速氣流通量大,可帶走更多的摩擦熱。對于球形兜孔保持架Ⅰ型軸承,因鋼球與保持架間接觸區(qū)域狹小,對流換熱系數(shù)較低,分布于周圍的氣壓較高。球形兜孔保持架Ⅱ型的換熱系數(shù)與最高氣壓均處于中間值。改變保持架結(jié)構(gòu)形式,對于軸承腔內(nèi)氣壓分布及保持架換熱性能具有一定的影響。

圖11 保持架結(jié)構(gòu)對換熱系數(shù)及氣壓影響

2.3.2 保持架兜孔間隙影響 在公轉(zhuǎn)速度為3×104r/min時(shí),分別計(jì)算3種兜孔間隙的球形兜孔保持架Ⅱ型角接觸球軸承腔內(nèi)流場。結(jié)果表明,軸承腔內(nèi)平均溫度均在321K與322 K之間微小波動,速度、壓強(qiáng)分布無明顯變化。兜孔間隙為0.165 mm時(shí),保持架表面換熱系數(shù)為103.05 W/(m2·K),間隙0.215 mm時(shí),保持架表面換熱系數(shù)為104.26 W/(m2·K),間隙0.265 mm時(shí)為106.42 W/(m2·K);隨著保持架兜孔間隙的增大,保持架的對流換熱系數(shù)有增大趨勢。

3 結(jié) 論

本文建立了高速角接觸球軸承氣相流動數(shù)值模型,計(jì)算分析了鋼球自旋、轉(zhuǎn)速、保持架幾何參數(shù)等對軸承腔內(nèi)流場及換熱特性的影響,結(jié)論如下。

(1)鋼球的自旋運(yùn)動加劇了軸承腔內(nèi)氣壓分布的不均勻性,壓強(qiáng)增大。同時(shí),使保持架上下氣流的交換加強(qiáng)。

(2)隨著軸承轉(zhuǎn)速升高,軸承腔內(nèi)氣壓升高,分布不均勻性增大。高速時(shí),鋼球周圍空氣渦旋加劇,對于角接觸球軸承,應(yīng)盡量在軸端截面面積較大側(cè),貼近內(nèi)圈處配置潤滑單元。

(3)不同保持架結(jié)構(gòu)影響著軸承腔內(nèi)氣體的換熱效率。隨著保持架兜孔間隙增大,保持架對流換熱系數(shù)升高,平均壓強(qiáng)降低。

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(編輯 武紅江)

InvestigationofAirFlowPatternandHeatTransferEfficiencyInsideCavityofHigh-SpeedAngularContactBallBearing

ZHAI Qiang1,YAN Ke1,2,ZHANG Youyun1,HONG Jun2,ZHU Yongsheng2

(1. Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor Bearing System, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China;2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

When a bearing operates at high speed, the high pressure region around the ball-raceway contact zone prevents the lubricant to enter the bearing cavity, resulting in a decrease of oil supply efficiency. To investigate the air phase flow pattern inside bearing cavity for the optimization of oil-air two-phase lubrication method, a high precision numerical model of air phase flow pattern inside angular contact ball bearing cavity is proposed. Comprehensive factors, including bearing motion features and cage structure, are considered to investigate their influences on the air phase flow pattern. Results show that the ball rotation leads to uneven pressure distributions. The air phase velocity, pressure, and heat transfer efficiency of cage increase when the ball revolving speed increases. The position near the inner ring on the bigger axial side is the ideal position to mount the lubrication unit. The heat transfer efficiency of cage and pressure field are sensitive to the cage structure. When the cage pocket clearance increases, the heat transfer efficiency of cage increases.

high-speed angular contact ball bearing; air phase flow; heat transfer efficiency; cage structure

2014-06-16。

翟強(qiáng)(1989—),男,碩士生;閆柯(通信作者),男,講師。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB706606);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(08143063)。

時(shí)間:2014-11-28

10.7652/xjtuxb201412005

TH133

:A

:0253-987X(2014)12-0029-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141128.1657.006.html