角接触球轴承热特性研究

2021-09-24安佳琦张义民李铁军

沈阳化工大学学报 2021年2期

安佳琦，张义民，李铁军

(沈阳化工大学装备可靠性研究所，辽宁沈阳 110142)

滚动轴承与滑动轴承相比，具有结构简单、启动灵活、摩擦阻力小、维护简便、易于互换等特点，因而被广泛应用.在实际工况中，轴承的发热主要来源于各部件工作中的摩擦.摩擦将会导致轴承系统的温升以及热变形，进而对轴承的传动精度方面产生一定的影响，影响工作质量和效率.轴承承受的外载荷、转速的高低以及润滑方式等都会对轴承发热有一定的影响.因此,针对轴承不同工况下的发热情况进行研究具有重要意义[1-2].文献[1]用有限元方法分析了球轴承的稳态温度场.文献[3]运用ANSYS的APDL语言,建立了高温滚动轴承参数化建模与有限元分析系统，通过分析高温场下轴承的热变形和热位移规律，为轴承的加工精度设计提供了参考依据.文献[4]对层流状态下的液体动静压油膜轴承模型进行了数值仿真，并利用有限元软件ANSYS计算了轴承的热变形.文献[5]模拟仿真了静压推力轴承系统的热变形，得出其变形分布规律及油膜润滑性能预测模型，并通过试验得到验证.文献[6]基于轴承分析的拟静力学理论，考虑了轴承内部摩擦功耗生热和轴承零件的热变形，分析了不同工作转速和载荷下各节点温升导致的轴承零件的热变形，得出了轴承动态特性和热特性之间的耦合关系模型，并分析研究了轴承内部的动力学特性.本文利用ANSYS Workbench建立轴承瞬态热结构分析模型，分别在不同转速和轴向力的工况下对轴承进行仿真分析，探索二者对轴承温升和热变形的影响，以期为轴承温升导致的游隙变化提供分析方法.

1 有限元热分析模型

以25TAC62B角接触球轴承为例，利用ANSYS Workbench建立轴承瞬态热模型.轴承模型参数如下：公称外径为62 mm，公称内径为25 mm，外圈内径为51.57 mm，内圈的外径为37.37 mm，滚动体直径为6.9 mm，轴承宽度为15 mm；滚动体数目为18个，名义接触角60°；轴承外表面和空气对流传热系数取h=12 W/(m2·K).角接触球轴承几何模型如图1所示.根据Burton和Staph[7]提出的观点，轴承产生的摩擦热50 %传到滚动体上，50 %传到套圈上，分别在轴向力为500 N的不同转速工况下以及转速为4000 r/min的不同轴向力工况下，根据式(1)计算不同时刻轴承的发热率，然后通过施加发热率到轴承模型进行仿真分析.

图1 角接触球轴承ANSYS Workbench的几何模型

近似发热率

Q=2πMn/60.

(1)

总摩擦力矩M=M0+M1,

黏性摩擦力矩

载荷摩擦力矩M1=f1Pdm.

式中：f0—与轴承类型和润滑方式有关的系数;

v—工作温度下润滑剂的运动粘度mm2/s;

n—轴承的工作转速r/min;

dm—轴承直径 mm;

f1—与轴承结构和载荷有关的系数;

P—轴承所承受载荷N.

2 仿真分析

2.1 温度场分析

对施加热流的轴承构造一条由轴承外圈穿过球到达内圈的路径，10 min时的温度分布云图如图2所示.

图3给出了轴向力为500 N、不同转速下的轴承内外圈及滚动体的温升变化.当未达到热平衡时，随着时间的延长，转速从2000 r/min增加到8000 r/min，轴承内外圈和滚动体的温度逐渐升高，转速越快，温升越快；9 h左右温度逐渐稳定，温升很微小，逐渐达到热平衡，温度不再增加.

图2 轴承温度分布云图

图3 轴向力为500 N时不同转速下轴承内外圈及滚动体温升变化

图4给出了转速为2000 r/min、不同轴向力下的轴承内外圈及滚动体的温升变化.由图4可知：当未达到热平衡时，随着时间的延长，轴向力从500 N增加到2000 N，轴承各部件温度也随之升高,轴向力越大，温升越快；9 h左右温度逐渐稳定，温升很微小，轴承逐渐达到热平衡，温度不再增加.

图4 转速为2000 r/min时不同轴向力下轴承内外圈及滚动体温升变化

2.2 热变形分析

图5给出了轴向力为1000 N、不同转速下的轴承内外圈及滚动体的热位移.

图5 轴向力为1000 N时不同转速下轴承内外圈及滚动体径向热位移

由图5可知：当未达到热平衡时，随着时间的增加，内外圈以及滚动体的热变形逐渐增大，转速从2000 r/min增加到8000 r/min，轴承各部件热变形也随之增大，转速越快，热变形越大；到8 h左右，轴承逐渐达到热平衡，热变形开始稳定在一定数值；内圈变形量为正，表示内圈受热向外圈方向膨胀；滚动体和外圈变形量为负，表示滚动体和外圈受热向内圈方向膨胀.

图6给出了转速为4000 r/min、不同轴向力下的轴承内外圈及滚动体的径向热位移.