基于有限元法的地下電纜群溫度場(chǎng)及載流量的仿真計(jì)算_圖文

1、文章編號(hào):1004-2539(201003-0088-04滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)研究的現(xiàn)狀和展望劉吉吉王燕霜(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽(yáng)471003摘要高速滾動(dòng)軸承的溫升及溫度分布狀態(tài)直接影響著主軸軸承系統(tǒng)的工作性能和使用壽命。滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速的不斷提高,則會(huì)導(dǎo)致軸承摩擦生熱急劇增加,如果熱量得不到及時(shí)有效地散發(fā),軸承內(nèi)部的溫度將會(huì)異常升高。溫度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致軸承內(nèi)部零件表面灼傷甚至相互膠合、咬死而早期報(bào)廢,后果十分嚴(yán)重。因此,隨著主軸軸承系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的不斷提高,滾動(dòng)軸承內(nèi)部的溫升及溫度分布已經(jīng)成為需要考慮的重要指標(biāo)。我們對(duì)高速滾動(dòng)軸承的發(fā)熱機(jī)理、傳熱過(guò)程及溫度分布三個(gè)方面分別進(jìn)行了深入地分析和探討;詳

2、細(xì)闡述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軸承熱分析研究的現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題;并對(duì)未來(lái)滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)的研究進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞溫度場(chǎng)熱分析熱網(wǎng)絡(luò)法有限元法Current Situation and Expectation of R esearch on T emperature Field for R olling B earingLiu ZheWang Y anshuang(School of M echatronics Engineering,Henan University of Science and T echnology,Luoyang471003,ChinaAbstractT em perature

3、rise and distribution status of high-speed rolling bearings are directly effect on the per2 formance and life of the main shaft bearingssystem.The increasing of rolling bearings rotate speed may lead to rapid increasing of heat generation because of friction.I f the heat cannot be radiated in g ood

4、time and effectively,the tem2 perature w ould rise exceptionally in the bearing.The exceedingly high tem perature will lead the surface of internal parts of bearings to be burned,even to be broken down as a result of agglutination or seizure with each other,and the consequences are greatly severe.Th

5、erefore,as the rotating speed of main shaft bearings being increased,the tem pera2 ture rise and distribution status have already been the im portant targets which need to be considered in the rolling bear2 ings.The bearings in depth from three aspects separately which are heat generation mechanisms

6、,heat trans ference pro2 cesses and tem perature distributions are analyzed and investigated.M oreover,the current research w ork and existent problem on thermal analysis of bearings by the home and overseas scholars is details discribed.Meanwhile,the expec2 tation for the future research to the tem

7、 perature field of rolling bearings is given.K ey w ordsT em perature fieldThermal analysisThermal netw ork methodFinite element method0引言隨著現(xiàn)代機(jī)械向著高速度、高可靠性、低能耗等方向的發(fā)展,作為傳動(dòng)部件的滾動(dòng)軸承也要求向低摩擦、長(zhǎng)壽命、高轉(zhuǎn)速等方向發(fā)展。而轉(zhuǎn)速的不斷提高,相應(yīng)地帶來(lái)了軸承摩擦生熱加劇、疲勞壽命降低、保持架及滾動(dòng)體打滑、滾動(dòng)表面損傷和保持架不穩(wěn)定等一系列由于軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的問(wèn)題,這將直接影響主軸軸承系統(tǒng)的工作性能和壽命。特別是摩擦生熱的急

8、劇增加將導(dǎo)致軸承工作溫度異常升高,而高速軸承的溫度分布是軸承用戶普遍關(guān)心的問(wèn)題,只有掌握了在不同工況下軸承系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布及其影響,才能對(duì)軸承進(jìn)行合理的潤(rùn)滑與冷卻。另外,在新機(jī)械的設(shè)計(jì)中,如果能預(yù)測(cè)出軸承傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱機(jī)理、傳熱過(guò)程及溫度分布,知道某一工況下軸承傳動(dòng)系統(tǒng)究竟處于什么樣的溫度場(chǎng)、哪些零部件(或部位是溫度較高而易于失效的危險(xiǎn)部件(或危險(xiǎn)部位,這樣就可以對(duì)設(shè)計(jì)方案、工藝流程或結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行合理的改進(jìn),以提高新機(jī)械的壽命和可靠性。因此,有必要對(duì)軸承的發(fā)熱機(jī)理、傳熱過(guò)程及溫度分布進(jìn)行分析探討。1滾動(dòng)軸承溫升的機(jī)理及影響軸承系統(tǒng)溫度變化關(guān)鍵取決于系統(tǒng)內(nèi)部滾動(dòng)軸承摩擦的自身發(fā)熱和系統(tǒng)的散熱能

9、力。1.1摩擦生熱及其影響軸承由于摩擦而引起的自身發(fā)熱主要來(lái)自:滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道之間的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦、保持架與套圈引導(dǎo)面之間的滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)體與保持架兜孔之間的滑動(dòng)摩擦、滾子端面與擋邊之間的滑動(dòng)摩擦、潤(rùn)滑劑黏性摩擦等1。據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的數(shù)據(jù)和軸承失效的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn):由于軸承材料的不斷改進(jìn),疲勞剝落僅占總故障數(shù)的2.39%,已不是滾動(dòng)軸承失效的主要問(wèn)題,而打滑蹭傷和摩擦磨損則占總故障數(shù)的53.89%2。打滑和摩擦直接導(dǎo)致軸承的生熱加劇,如果不能得到有效地潤(rùn)滑和冷卻,勢(shì)必造成軸承因內(nèi)部工作溫度過(guò)高而失效,如套圈滾道和滾動(dòng)體回火或燒傷、保持架引導(dǎo)面灼蝕等,如圖13所示。 (a

10、失效滾子軸承內(nèi)圈 (b 內(nèi)圈滾道燒傷中心位置圖1失效航空軸承套圈1.2熱量的散發(fā)對(duì)軸承溫升的影響軸承系統(tǒng)內(nèi)部除了存在自身發(fā)熱外,還與系統(tǒng)外部存在相互的熱傳遞過(guò)程。如果軸承內(nèi)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)有效地散發(fā),隨著熱量在軸承內(nèi)的不斷積聚,則會(huì)導(dǎo)致軸承溫度異常升高,潤(rùn)滑油黏度下降,滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道間油膜厚度減小,最終使軸承因滾動(dòng)體回火或滾道表面剝落而報(bào)廢,并且溫度過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致軸承膠合和咬死,其后果十分嚴(yán)重。例如,航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承常常在DN 值為(1.52.5×106的高速條件和高溫環(huán)境下工作,若軸承內(nèi)的摩擦熱及高溫環(huán)境傳入軸承的熱量不能及時(shí)有效地散發(fā),則軸承會(huì)因滾道及滾動(dòng)體表面灼傷而早期報(bào)廢。

11、2滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題目前,關(guān)于高速滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)分析,主要是采用傳熱學(xué)理論研究軸承系統(tǒng)內(nèi)部零件的發(fā)熱機(jī)理、傳熱過(guò)程和溫度分布,預(yù)測(cè)軸承系統(tǒng)的危險(xiǎn)失效部件或零件的危險(xiǎn)失效部位,確定系統(tǒng)的潤(rùn)滑冷卻效果,從而為主軸軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝流程或材料改進(jìn)和失效分析等提供指導(dǎo)。該方法主要涉及三個(gè)問(wèn)題,即生熱問(wèn)題、傳熱問(wèn)題和溫度分布問(wèn)題,是進(jìn)行軸承系統(tǒng)熱分析的最常用方法。2.1滾動(dòng)軸承摩擦生熱過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在軸承轉(zhuǎn)速不高、潤(rùn)滑油流量不大的情況下,按此方法計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好,而且該方法適用于各種類型的滾動(dòng)軸承,因而該方法在工程上得到了廣泛的應(yīng)用;但是在高轉(zhuǎn)速和大流量潤(rùn)滑

12、情況下,Palmgren 的方法低估了功率損失(發(fā)熱量的大小,其發(fā)熱計(jì)算中僅包括了載荷發(fā)熱和黏性發(fā)熱,而沒(méi)有涉及流量這一項(xiàng)。Astridge 和Smith (1972對(duì)Palmgren 的計(jì)算方法做了一定的改進(jìn),在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了高速圓柱滾子軸承的整體功率損失(發(fā)熱量的計(jì)算公式5。N f =5.199×103D 4m n 1.7i 0.4i+9.86×103n i D m Q 其中,N f 為功率損失,W ;D m 為軸承節(jié)圓直徑,m ;n i 為轉(zhuǎn)速,r/min ;Q 為潤(rùn)滑油流量,m 3/s ;i 為入口區(qū)溫度下的潤(rùn)滑油黏度,Pa s 。但此計(jì)算方法僅適用于圓柱滾子軸承

13、,并且在工作過(guò)程中軸承的各個(gè)接觸區(qū)域狀態(tài)完全不一樣,各類熱源對(duì)軸承生熱的影響也存在差異。無(wú)論是Palmgren 的方法還是Astridge 等人的方法,都是將滾動(dòng)軸承整體作為研究對(duì)象,并沒(méi)有涉及軸承內(nèi)具體元件摩擦表面的功率損失計(jì)算。所以整體法計(jì)算軸承生熱不能確定上述差異和區(qū)別,存在局限性。2.2滾動(dòng)軸承的熱傳遞過(guò)程實(shí)際工程中的傳熱過(guò)程往往是很復(fù)雜的。軸承產(chǎn)生的功率損失最終以熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱及熱輻射的方式散發(fā)掉。一般情況下,軸承系統(tǒng)內(nèi)部零部件間的溫度差別并不大,熱輻射很小,可以忽略;熱傳導(dǎo)相對(duì)而言也較容易計(jì)算。而軸承系統(tǒng)內(nèi)零部件表面與潤(rùn)滑油、空氣或油氣混合物等流體之間的對(duì)流換熱是必須要考慮的重要

14、換熱形式,而且換熱系數(shù)也是最難確定的7。這種對(duì)流換熱系數(shù)之所以難以確定,一方面是因?yàn)檩S承內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,不同于傳熱學(xué)教程中的平板、圓筒、管狀物等簡(jiǎn)單物理模型,當(dāng)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),其內(nèi)部流體的流速或雷諾數(shù)很難準(zhǔn)確估算,因此很難將傳熱學(xué)教程中所給出的對(duì)流換熱系數(shù)公式直接套用在軸承內(nèi)對(duì)流換熱的計(jì)算上。另一方面,國(guó)內(nèi)外關(guān)于軸承熱分析的對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較少。因此,對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò)程要完全精確地描述并作定量計(jì)算是不可能的。目前,在軸承熱分析中通常是構(gòu)想一個(gè)簡(jiǎn)化模型,采用一些近似的對(duì)流換熱系數(shù)公式或數(shù)值并借助于近似的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行對(duì)流換熱的估算,從而解決軸承熱分析中的問(wèn)題。20世紀(jì)60年代,H a

15、rris和Burton較早地將傳熱學(xué)技術(shù)應(yīng)用于預(yù)測(cè)滾動(dòng)軸承溫度上。1973年,Rumbarger等按照H arris的分析思想對(duì)高速圓柱滾子軸承進(jìn)行了熱分析,但在進(jìn)行對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算時(shí),按照“同心旋轉(zhuǎn)圓環(huán)間充滿黏性介質(zhì)”的物理模型來(lái)簡(jiǎn)化軸承,這種處理方法較為粗糙。1980年,K leckner等在文獻(xiàn)8中介紹了他們開(kāi)發(fā)的高速圓柱滾子軸承的大型分析軟件“CY2 BE AN”,并也概略介紹了高速圓柱滾子軸承的熱分析。但是,他們?cè)谠撐墨I(xiàn)中并未給出軸承發(fā)熱及軸承傳熱的具體計(jì)算公式。C oe等人1981年使用“CY BE AN”程序?qū)?nèi)徑為118mm、DN值為3×106的高速滾子軸承作了計(jì)算,

16、并從計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的比較中發(fā)現(xiàn),“CY BE AN”能很好地預(yù)測(cè)高速圓柱滾子軸承外圈的溫度及傳入潤(rùn)滑油中的熱量,但是用“CY BE AN”計(jì)算出的內(nèi)圈溫度比試驗(yàn)測(cè)出的溫度值低很多。H arris于1984年近似采用流體外掠平板式的局部換熱系數(shù)公式來(lái)計(jì)算軸承向潤(rùn)滑油的散熱及殼體壁面與潤(rùn)滑油的換熱,但H arris假設(shè)潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀態(tài)為層流,并未考慮高速旋轉(zhuǎn)時(shí)軸承元件內(nèi)潤(rùn)滑油的紊流,而且沒(méi)有提及所用換熱系數(shù)公式具體適用的換熱表面。2.3滾動(dòng)軸承傳熱學(xué)分析用于軸承傳熱學(xué)分析的方法和理論,主要有熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元法。iC pi V id T id t=q i(i=1,2,n、Cp、V分別表示密度、比

17、熱和體積,d Td t體流動(dòng)和傳熱的數(shù)值計(jì)算越來(lái)越普遍地為科研人員所接受。較成熟的通用有限元軟件有ANSY S、MARC、ABAQUS、ADI NA等。Jin等人采用有限元法分析了高速軸承的熱特性。Mizuta采用有限元法研究了角接觸球軸承內(nèi)、外套圈的熱傳遞特性。國(guó)內(nèi)的眾多學(xué)者也對(duì)軸承熱分析做出了大量研究。雖然有限元法在力學(xué)計(jì)算(如應(yīng)力分析中的應(yīng)用已為許多人所熟悉,但是用在熱分析中的有限元法卻與力學(xué)計(jì)算中的有限元法有明顯區(qū)別。國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承系統(tǒng)熱分析方面的研究尚屬起步階段。近幾年,西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航空工業(yè)總公司第606研究所、航空工業(yè)總公司第608所等

18、單位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高速滾動(dòng)軸承進(jìn)行了一些熱狀態(tài)分析及試驗(yàn)研究。3滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)分析展望我國(guó)對(duì)滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)研究起步較晚,基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)研究相對(duì)較薄弱,國(guó)內(nèi)又缺少先進(jìn)的工業(yè)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)技術(shù)作為支撐。例如,軸承系統(tǒng)內(nèi)部流體介質(zhì)與換熱表面間的對(duì)流換熱系數(shù)較難確定以及內(nèi)部各個(gè)零件或部位的溫度較難用試驗(yàn)測(cè)定,以至于缺少具體有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)做對(duì)比驗(yàn)證,因此,阻礙了軸承溫度場(chǎng)理論研究的發(fā)展。另外,隨著航空主軸軸承工作轉(zhuǎn)速的不斷提高,軸承內(nèi)的摩擦損耗也在不斷增加,因此,對(duì)潤(rùn)滑油潤(rùn)滑冷卻的性能和方式也提出了更高的要求。工程中希望使用最小的潤(rùn)滑油油量達(dá)到既保證軸承正常工作又使得軸承溫升最小的效果。目前常用的潤(rùn)

19、滑方式有:噴射潤(rùn)滑、環(huán)下潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑。與噴射潤(rùn)滑相比,環(huán)下潤(rùn)滑冷卻效果較好,其用油量少,減小了軸承的攪油功耗損失,并且潤(rùn)滑油很容易將軸承內(nèi)部的磨屑帶出軸承。油霧潤(rùn)滑方法與液態(tài)油相比,攪油功耗較小,但是環(huán)境污染嚴(yán)重,潤(rùn)滑油消耗量也大,因此也并不理想。針對(duì)滾動(dòng)軸承溫度場(chǎng)分析這一研究領(lǐng)域,在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi),應(yīng)該以理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)研究為重點(diǎn),用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證理論分析方法的可行性,需要在如下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善:(1為了精化高速滾動(dòng)軸承的傳熱計(jì)算,需要進(jìn)行大量高速滾動(dòng)軸承專門(mén)的對(duì)流換熱模擬試驗(yàn),用試驗(yàn)方法來(lái)獲得計(jì)算高速滾動(dòng)軸承對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程,從而提出高速滾動(dòng)軸承對(duì)流換熱系數(shù)的專門(mén)公式。這需要專門(mén)立

20、項(xiàng)進(jìn)行研究。(2現(xiàn)有的傳熱學(xué)手冊(cè)中很少涉及潤(rùn)滑油的熱物性參數(shù),給軸承溫度場(chǎng)分析計(jì)算帶來(lái)了很大的麻煩。為了得到更加精確的傳熱計(jì)算公式,需要對(duì)各種不同型號(hào)潤(rùn)滑油的熱物性參數(shù)進(jìn)行大量的試驗(yàn)測(cè)試。(3雖然環(huán)下潤(rùn)滑目前是比較理想的潤(rùn)滑方式,但隨著對(duì)潤(rùn)滑和冷卻要求的不斷提高,油氣潤(rùn)滑作為一種更加理想的潤(rùn)滑方式,能夠解決其他傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式的缺點(diǎn),這一潤(rùn)滑方式有待將來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步研究。(4針對(duì)高速滾動(dòng)軸承內(nèi)各個(gè)零件或部位的溫度較難測(cè)定,而現(xiàn)有的試驗(yàn)測(cè)定方法不能準(zhǔn)確測(cè)定軸承內(nèi)任意點(diǎn)的溫度,因此,需要研究新的溫度測(cè)定方法,以便準(zhǔn)確測(cè)定軸承內(nèi)的溫度,并與理論研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。(5在對(duì)高速滾動(dòng)軸承進(jìn)行功率損失的計(jì)算模

21、型中,所涉及的力或運(yùn)動(dòng)參數(shù)需要根據(jù)軸承的具體工況,對(duì)軸承進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和力學(xué)分析來(lái)確定。目前靜力學(xué)(或擬靜力學(xué)分析相對(duì)較粗糙,而動(dòng)學(xué)力分析發(fā)展的還不夠完善,因此需要對(duì)軸承動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行進(jìn)一步的研究。文中,DN值為軸承內(nèi)徑D與轉(zhuǎn)速N的乘積,單位是mmr/min。參考文獻(xiàn)1劉志全,張鵬順,沈允文.高速圓柱滾子軸承的熱分析模型J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1997,16(4:607-611.2焦育潔,呂新生,張錫昌.航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸圓柱滾子軸承典型故障分析J.軸承,2003(12:29-30.3葛泉江,閆國(guó)斌.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)前中介軸承失效分析J.航空發(fā)動(dòng)機(jī),2007,33(1:42-44.4陳觀慈,王黎欽,古樂(lè),等.高速球軸承的生熱分析J.航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2007,22(1:163-168.5Astridge D G,Sm ith C F.Heat G eneration in High S peed Cylin