角接觸球軸承熱結(jié)構(gòu)仿真分析

張義民，安佳琦，李鐵軍，商 強(qiáng)

（沈陽化工大學(xué)裝備可靠性研究所，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

軸承是當(dāng)代機(jī)械設(shè)備中一種舉足輕重的零部件。它的主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，用以降低設(shè)備在傳動(dòng)過程中的機(jī)械載荷摩擦系數(shù)。在實(shí)際工況中，相互接觸的軸承各部件間相互摩擦發(fā)熱，如果軸承內(nèi)部熱量不能及時(shí)有效達(dá)到熱平衡，將會(huì)導(dǎo)致軸承系統(tǒng)溫度過高，從而引起軸承熱變形及內(nèi)部接觸狀態(tài)的改變，從而影響軸承的精度和壽命。因此，針對軸承熱結(jié)構(gòu)的研究具有重要意義。文獻(xiàn)[1-2]分析了高速角接觸球軸承的受力，對高速角接觸球軸承的摩擦熱進(jìn)行了計(jì)算，給出了軸承的溫度分布。文獻(xiàn)[3-4]利用熱網(wǎng)絡(luò)法建立了溫度場的計(jì)算模型，研究了工況參數(shù)對軸承生熱量、溫度和熱誘導(dǎo)載荷的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]從理論上分析了高速精密角接觸球軸承的同時(shí)給出了轉(zhuǎn)速對溫升的影響及最佳預(yù)緊力和潤滑油量參考值。文獻(xiàn)[6]還采用灰關(guān)聯(lián)度分析對溫度和轉(zhuǎn)速的影響關(guān)聯(lián)度，并提出熱生成與軸承轉(zhuǎn)速、載荷、離心力和自旋有關(guān)。文獻(xiàn)[7]利用ANSYS 對軸承溫度場進(jìn)行仿真，得到穩(wěn)態(tài)工況下的軸承溫度場。文獻(xiàn)[8]在考慮結(jié)合面接觸熱阻的情況下建立了軸承的熱傳遞模型，利用ANSYS 獲得了軸承溫度場。文獻(xiàn)[9]采用有限元法和試驗(yàn)法研究了軸承的溫度場，二者基本一致，但試驗(yàn)法測得的溫度略高，并得出自旋對軸承溫升的影響很大不可忽略。文獻(xiàn)[10]建立了電主軸的熱結(jié)構(gòu)耦合有限元分析模型，利用ANSYS軟件對電主軸的溫度場及其熱變形進(jìn)行了仿真分析，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[11]運(yùn)用ANSYS 分析了軸承的溫度和熱變形，為研究滾動(dòng)軸承的熱變形和游隙問題提供了依據(jù)。

使用Ansys 有限元方法對軸承溫度場進(jìn)行仿真，建立了軸承瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析模型，分別對內(nèi)外圈和滾動(dòng)體隨溫升引起的時(shí)變特性進(jìn)行了仿真分析，得到了軸承各關(guān)鍵部分的溫升規(guī)律及熱變形規(guī)律，為進(jìn)一步研究軸承熱誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)接觸特性和熱誘導(dǎo)的精度漸變可靠性奠定了基礎(chǔ)。

2 熱結(jié)構(gòu)分析有限元模型

2.1 模型的建立

為研究角接觸球軸承的溫升分布，以25TAC62B 角接觸球軸承為例，利用ANSYS Workbench 建立軸承瞬態(tài)熱模型，對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程的溫度場和熱變形進(jìn)行了仿真分析。具體的軸承模型參數(shù)，如表1 所示。25TAC62B 角接觸球軸承幾何模型，如圖1 所示。

表1 角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters of Angular Contact Ball Bearings

圖1 角接觸球軸承ANSYS Workbench 的幾何模型Fig.1 Geometric Model of Angular Contact Ball Bearing in ANSYS Workbench

2.2 邊界條件的確定

根據(jù)文獻(xiàn)[12]提出的觀點(diǎn)，將軸承產(chǎn)生的摩擦熱50%傳到滾動(dòng)體上，50%傳到套圈上，設(shè)定軸承生熱φ=20W，則外溝道和內(nèi)溝道各生熱5W，平均每個(gè)球生熱0.555W，軸承外表面和空氣對流傳熱系數(shù)取h=12W/（m2·K）。

3 溫度場和熱變形分析

3.1 溫度場分析

利用Workbench 對軸承溫度場進(jìn)行有限元分析，對施加熱流的軸承構(gòu)造一條由軸承外圈穿過球到達(dá)內(nèi)圈的路徑，路徑及溫度分布，如圖2 所示。

圖2 軸承路徑及溫度分布云圖Fig.2 Cloud Diagram of Bearing Path and Temperature Distribution

圖中路徑貫穿內(nèi)圈為節(jié)點(diǎn)1～3，貫穿球體為節(jié)點(diǎn)4～8，貫穿外圈為節(jié)點(diǎn)9～11。針對運(yùn)轉(zhuǎn)不同時(shí)間的軸承模型進(jìn)行仿真，得出軸承內(nèi)外圈和球的溫度分布，如圖3 所示。

圖3 不同時(shí)間下軸承關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度隨半徑變化圖Fig.3 Variation Diagram of Bearing Key Node Temperature with Radius at Different Times

由圖3 可以看出，隨時(shí)間的延長，軸承溫度逐漸升高。對于軸承內(nèi)圈，由內(nèi)向外溫度逐漸升高，內(nèi)圈外表面溫度最高；對于球，隨著半徑的增加溫度逐漸升高，表面溫度最高；對于軸承外圈，由外向內(nèi)溫度逐漸升高，外圈內(nèi)表面溫度最高。

3.2 熱變形分析

針對軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不同時(shí)間靜態(tài)結(jié)構(gòu)的熱變形分析仿真結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 不同時(shí)間下軸承變形量隨半徑變化圖Fig.4 Bearing Deformation Changes with Radius at Different Times

由圖4 得知，內(nèi)圈隨半徑的變形量為正，表明隨軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)圈受熱向外膨脹；靠近內(nèi)圈的一側(cè)球的變形量為正，球受內(nèi)圈擠壓向外形變，靠近外圈的一側(cè)球的變形量為負(fù)，球受外圈擠壓向內(nèi)形變，但整體為負(fù)，表明球受熱整體向內(nèi)膨脹；外圈隨半徑的變形量為負(fù)，表明外圈受熱向內(nèi)膨脹。另外，分別取內(nèi)圈外表面（r=16.2mm）、球心（r=21.75mm）以及外圈內(nèi)表面（r=27.3mm）所對應(yīng)的變形量，即得出三者隨時(shí)間的變形量，如圖5 所示。

圖5 不同時(shí)間下軸承內(nèi)、外圈和球的變形量Fig.5 Deformation of Inner Ring，Outer Ring and Ball of Bearing at Different Times

由圖5 得知，外圈和球變形量為負(fù)，整體向內(nèi)膨脹，內(nèi)圈變形量為正，整體向外膨脹。球受熱膨脹，并受內(nèi)外側(cè)共同擠壓，由于外側(cè)的擠壓多于內(nèi)側(cè)，因此整體被壓緊。由此可以推測，軸承溫升過高可能會(huì)引起軸承過度磨損或者卡死等形式的失效，因此對溫升的控制就變得異常重要?；谳S承熱結(jié)構(gòu)瞬態(tài)分析模型，可以進(jìn)一步分析滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的接觸區(qū)域變化，接觸剛度變化等熱接觸特性；還可以通過此模型分析軸承的徑向和軸向游隙隨溫升的變化。上述因素會(huì)影響軸承定位精度，考慮到軸承工作載荷以及制造安裝中有很多隨機(jī)因素會(huì)影響摩擦熱，因此可以進(jìn)一步分析摩擦熱誘導(dǎo)的定位精度可靠性。

4 結(jié)論

通過有限元仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在瞬態(tài)熱分析模型中，隨時(shí)間增加，軸承各元件溫度越來越高。其中，內(nèi)圈溫度隨半徑增加逐漸升高，外圈溫度隨半徑增加逐漸降低，球表面溫度最高。（2）軸承受溫升的影響，隨時(shí)間增加，軸承內(nèi)圈受熱后向半徑增大方向膨脹，外圈向半徑減小方向膨脹，在內(nèi)圈和外圈共同擠壓下球的半徑變小，整體向半徑減小方向被壓緊。（3）建立的軸承瞬態(tài)熱分析模型以及基于此模型獲得的溫升和熱變形規(guī)律，為進(jìn)一步研究軸承熱誘導(dǎo)的動(dòng)態(tài)觸特性和熱誘導(dǎo)的精度漸變可靠性奠定基礎(chǔ)。