角接觸球軸承熱特性研究

安佳琦， 張義民， 李鐵軍

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 裝備可靠性研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)靈活、摩擦阻力小、維護(hù)簡(jiǎn)便、易于互換等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用.在實(shí)際工況中，軸承的發(fā)熱主要來(lái)源于各部件工作中的摩擦.摩擦將會(huì)導(dǎo)致軸承系統(tǒng)的溫升以及熱變形，進(jìn)而對(duì)軸承的傳動(dòng)精度方面產(chǎn)生一定的影響，影響工作質(zhì)量和效率.軸承承受的外載荷、轉(zhuǎn)速的高低以及潤(rùn)滑方式等都會(huì)對(duì)軸承發(fā)熱有一定的影響.因此,針對(duì)軸承不同工況下的發(fā)熱情況進(jìn)行研究具有重要意義[1-2].文獻(xiàn)[1]用有限元方法分析了球軸承的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng).文獻(xiàn)[3]運(yùn)用ANSYS的APDL語(yǔ)言,建立了高溫滾動(dòng)軸承參數(shù)化建模與有限元分析系統(tǒng)，通過(guò)分析高溫場(chǎng)下軸承的熱變形和熱位移規(guī)律，為軸承的加工精度設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù).文獻(xiàn)[4]對(duì)層流狀態(tài)下的液體動(dòng)靜壓油膜軸承模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，并利用有限元軟件ANSYS計(jì)算了軸承的熱變形.文獻(xiàn)[5]模擬仿真了靜壓推力軸承系統(tǒng)的熱變形，得出其變形分布規(guī)律及油膜潤(rùn)滑性能預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)試驗(yàn)得到驗(yàn)證.文獻(xiàn)[6]基于軸承分析的擬靜力學(xué)理論，考慮了軸承內(nèi)部摩擦功耗生熱和軸承零件的熱變形，分析了不同工作轉(zhuǎn)速和載荷下各節(jié)點(diǎn)溫升導(dǎo)致的軸承零件的熱變形，得出了軸承動(dòng)態(tài)特性和熱特性之間的耦合關(guān)系模型，并分析研究了軸承內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)特性.本文利用ANSYS Workbench建立軸承瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析模型，分別在不同轉(zhuǎn)速和軸向力的工況下對(duì)軸承進(jìn)行仿真分析，探索二者對(duì)軸承溫升和熱變形的影響，以期為軸承溫升導(dǎo)致的游隙變化提供分析方法.

1 有限元熱分析模型

以25TAC62B角接觸球軸承為例，利用ANSYS Workbench建立軸承瞬態(tài)熱模型.軸承模型參數(shù)如下：公稱外徑為62 mm，公稱內(nèi)徑為25 mm，外圈內(nèi)徑為51.57 mm，內(nèi)圈的外徑為37.37 mm，滾動(dòng)體直徑為6.9 mm，軸承寬度為15 mm；滾動(dòng)體數(shù)目為18個(gè)，名義接觸角60°；軸承外表面和空氣對(duì)流傳熱系數(shù)取h=12 W/(m2·K).角接觸球軸承幾何模型如圖1所示.根據(jù)Burton和Staph[7]提出的觀點(diǎn)，軸承產(chǎn)生的摩擦熱50 %傳到滾動(dòng)體上，50 %傳到套圈上，分別在軸向力為500 N的不同轉(zhuǎn)速工況下以及轉(zhuǎn)速為4000 r/min的不同軸向力工況下，根據(jù)式(1)計(jì)算不同時(shí)刻軸承的發(fā)熱率，然后通過(guò)施加發(fā)熱率到軸承模型進(jìn)行仿真分析.

圖1 角接觸球軸承ANSYS Workbench的幾何模型

近似發(fā)熱率

Q=2πMn/60.

(1)

總摩擦力矩M=M0+M1,

黏性摩擦力矩

載荷摩擦力矩M1=f1Pdm.

式中：f0—與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的系數(shù);

v—工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度mm2/s;

n—軸承的工作轉(zhuǎn)速r/min;

dm—軸承直徑 mm;

f1—與軸承結(jié)構(gòu)和載荷有關(guān)的系數(shù);

P—軸承所承受載荷N.

2 仿真分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

對(duì)施加熱流的軸承構(gòu)造一條由軸承外圈穿過(guò)球到達(dá)內(nèi)圈的路徑，10 min時(shí)的溫度分布云圖如圖2所示.

圖3給出了軸向力為500 N、不同轉(zhuǎn)速下的軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體的溫升變化.當(dāng)未達(dá)到熱平衡時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到8000 r/min，軸承內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的溫度逐漸升高，轉(zhuǎn)速越快，溫升越快；9 h左右溫度逐漸穩(wěn)定，溫升很微小，逐漸達(dá)到熱平衡，溫度不再增加.

圖2 軸承溫度分布云圖

圖3 軸向力為500 N時(shí)不同轉(zhuǎn)速下軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體溫升變化

圖4給出了轉(zhuǎn)速為2000 r/min、不同軸向力下的軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體的溫升變化.由圖4可知：當(dāng)未達(dá)到熱平衡時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，軸向力從500 N增加到2000 N，軸承各部件溫度也隨之升高,軸向力越大，溫升越快；9 h左右溫度逐漸穩(wěn)定，溫升很微小，軸承逐漸達(dá)到熱平衡，溫度不再增加.

圖4 轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)不同軸向力下軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體溫升變化

2.2 熱變形分析

圖5給出了軸向力為1000 N、不同轉(zhuǎn)速下的軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體的熱位移.

圖5 軸向力為1000 N時(shí)不同轉(zhuǎn)速下軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體徑向熱位移

由圖5可知：當(dāng)未達(dá)到熱平衡時(shí)， 隨著時(shí)間的增加，內(nèi)外圈以及滾動(dòng)體的熱變形逐漸增大，轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min增加到8000 r/min，軸承各部件熱變形也隨之增大，轉(zhuǎn)速越快，熱變形越大；到8 h左右，軸承逐漸達(dá)到熱平衡，熱變形開始穩(wěn)定在一定數(shù)值；內(nèi)圈變形量為正，表示內(nèi)圈受熱向外圈方向膨脹；滾動(dòng)體和外圈變形量為負(fù)，表示滾動(dòng)體和外圈受熱向內(nèi)圈方向膨脹.

圖6給出了轉(zhuǎn)速為4000 r/min、不同軸向力下的軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體的徑向熱位移.

圖6 轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)不同軸向力下軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體徑向熱位移

由圖6可知：未達(dá)到熱平衡時(shí)，隨著時(shí)間的增加，內(nèi)外圈以及滾動(dòng)體的熱變形逐漸增大；軸向力從500 N增加到2000 N，軸承各部件熱變形也隨之增大，軸向力越大，熱變形越大；到8 h左右，熱變形開始趨于穩(wěn)定.

在軸向力1000 N、轉(zhuǎn)速1500 r/min條件下，使用文獻(xiàn)[8]的熱網(wǎng)絡(luò)法逆向辨識(shí)計(jì)算了軸承外圈的溫度，結(jié)果如圖7所示.

圖7 軸承外圈溫度仿真結(jié)果與逆向辨識(shí)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與逆向辨識(shí)的結(jié)果基本一致.本文基于軸承熱結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)分析模型的有效性得到驗(yàn)證.該模型不僅可以分析不同工況下軸承軸向和徑向游隙隨溫升的變化，而且還可以進(jìn)一步分析內(nèi)外圈與滾動(dòng)體接觸區(qū)域的變化，為接觸剛度變化等特性提供理論依據(jù).

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)未達(dá)到熱平衡時(shí)，隨著時(shí)間增加，軸承各元件溫度逐漸升高.軸承轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著軸向力的增加，軸承溫度逐漸升高，達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度穩(wěn)定不再增加；軸承軸向力一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸承溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度保持穩(wěn)定不再增加.

(2) 當(dāng)未達(dá)到熱平衡時(shí)，隨加時(shí)間增加，軸承各元件熱變形均在增大.軸承轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著軸向力的增加，軸承熱變形逐漸增大，達(dá)到熱平衡時(shí)變形不再增加；軸承軸向力一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，軸承熱變形逐漸增大，達(dá)到熱平衡時(shí)變形不再增加.內(nèi)圈受熱向外圈方向膨脹，滾動(dòng)體和外圈受熱向內(nèi)圈方向膨脹.

(3) 利用有限元建立了軸承瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析模型，分別在不同轉(zhuǎn)速和軸向力的工況下對(duì)軸承進(jìn)行了仿真分析，探索了二者對(duì)軸承溫升和熱變形的影響，為軸承溫升導(dǎo)致的游隙變化提出數(shù)值計(jì)算方法，為軸承熱特性的研究提供了理論依據(jù).