考虑结合面接触热阻的角接触球轴承温度场分析

2013-07-21薛志嵩胡小秋赵雁

轴承 2013年5期

薛志嵩，胡小秋，赵雁

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

角接触球轴承是机床进给系统中重要的支承部件。随着高速机床的出现，机床进给速度不断提高，轴承生热量增加、温度升高，会引起轴承自身及丝杠的热变形，导致机床精度降低。因此深入研究轴承热特性，获得较为真实的轴承温度场分布情况，对于机床整体精度的提高具有重要意义。文献[1]对双层滚动轴承的热特性进行了研究，提出了降低轴承温升的措施；文献 [2]建立了轴连轴承的热传递模型，并实际测量了轴承的温度；文献[3]在对轴承传热进行分析的基础上，利用ANSYS对角接触球轴承温度场进行了分析和仿真。但在上述传热模型中均没有考虑结合面接触热阻对轴承温度场的影响。

外圈与轴承座为间隙配合，存在接触热阻。轴和内圈为过盈配合，由于接触的表面凹凸不平，结合面不能完全相接触，在结合面处也存在接触热阻。接触热阻的存在影响了轴承温度场的分布。下文在考虑结合面接触热阻的基础上，建立了新的轴承热传递模型，并利用ANSYS对轴承温度场进行了分析与计算。

1 角接触球轴承的传热及其模型

角接触球轴承在旋转过程中，钢球与内、外圈之间相对运动会产生摩擦热。轴承热量传递的过程如图1所示。Q1为由内圈传递到轴的热量，Q2为由外圈传递到轴承座的热量；Q1，Q2最终散失到空气中；Q3，Q4为通过内、外圈直接散失到空气中的热量；Q5为通过钢球散发到空气中的热量。

图1 轴承热量传递示意图

由于结合面处存在接触热阻，摩擦产生的热量Q1,Q2由内、外圈分别传递到轴、轴承座的过程中会受到接触热阻的影响，进而对轴承温度场分布产生影响。

在考虑内圈与轴、外圈与轴承座之间结合面接触热阻的基础上建立了如图2所示的轴承热传递模型图。图2中T1，T2，Tb分别为轴、轴承座外表面和钢球的温度；Rb为钢球的热阻；RL1，RL2分别为内、外圈润滑脂的热阻；Ri，Re分别为内、外圈热阻；Hi,He分别为钢球与内、外圈的摩擦热；Rzh为轴的热阻，Rzz为轴承座热阻；Rce为外圈与轴承座之间的接触热阻；Rci为内圈与轴之间的接触热阻。上述各参数计算方法见文献[4]。

图2 轴承热传递模型

2 接触热阻及表面对流换热系数

2.1 外圈与轴承座之间的接触热阻

外圈和轴承座之间为间隙配合，间隙的大小取配合公差的平均值。轴承外圈和轴承座之间的热阻为[5]

(1)

(2)

式中：h1为外圈与轴承座之间的热传递系数；hr为外圈的厚度；hg为外圈和轴承座的平均间隙；λr为轴承的导热系数；λa为空气的导热系数；A1为轴承与轴承座的名义接触面积。

2.2 轴与内圈之间接触热阻

内圈与轴之间相接触的表面为粗糙表面，具有分形特征，根据在W-M函数基础上改进的M-B分形接触模型[6]，内圈与轴之间的接触热阻为

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3 轴承座、轴与空气的对流换热系数

内圈和轴高速旋转时，轴、内圈与周围空气之间的换热属于强迫对流换热，与周围空气的对流换热系数为[7]

(8)

式中：Re=πωd2/ν，ω，d分别为轴的角速度和直径；Pr为普朗特数；ν为空气的运动黏度；k为轴的导热系数。

轴承座与周围空气之间的换热为自然对流换热，换热系数取10 W/(m2·K)。

3 轴承温度场有限元分析

3.1 有限元分析模型的建立

计算对象为7602020TVP型角接触球轴承，其基本参数见表1。

轴承的预紧力Fa=2 000 N，转速n=3 000 r/min，采用脂润滑。由于轴承在运转过程中润滑脂溢出较少，润滑脂带走的热量可以忽略不计，故不考虑润滑脂对轴承散热的影响。分析时假设钢球的热量全部通过对流换热散失到空气中，不与内、外圈进行热交换。轴承所受载荷在圆周方向上对称，因此轴承温度场在圆周方向上的分布也具有对称性，故取轴承的1/4模型进行分析。在SOLIDWORKS中建立模型，导入到ANSYS有限元分析软件，选用热分析单元SOLID70进行热分析。