基于ANSYS的连铸辊轴承座的温度场分析

戴维 (华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉 430074)

基于ANSYS的连铸辊轴承座的温度场分析

戴维 (华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉 430074)

连铸辊轴承在环境温度高、载荷大、工况复杂的条件下工作,如果轴承所接受的热量不能有效地散发,冷却未到位,过高的温度会引起轴承热变形,并会在大载荷下破裂,致使轴承过早失效,影响整个连铸铸钢的生产。连铸辊轴承座冷却方式是轴承座内部结构留有通水孔,对轴承座进行内部通水冷却。基于ANSYS对连铸辊轴承座的温度场进行了分析:建立轴承座的CAD三维几何模型和CAE模型,通过分析传热原理,得到轴承座的综合对流换热系数,以此作为边界条件,并加载实时工况下的温度作为载荷,对连铸辊轴承座系统在稳定工作的状态进行了温度分析,得到轴承座的整体温度分布,对连铸辊轴承座的设计安装提供了理论指导意义。

连铸辊;轴承座;温度场;ANSYS;CAD三维几何模型;CAE模型

连铸辊轴承是连铸机中的重要部件,为连铸辊提供重要支承。连铸机连铸辊轴承工作环境复杂,从连铸机结晶器出来的钢坯要在二冷区对其喷水强制冷却(一般将连铸机直线段、弯曲段以及扇形段称之为二冷区),使钢坯表壳迅速冷却以防止漏钢。尽管如此,从结晶器出来的钢坯到达连铸机矫直段时的温度仍然在900℃以上,钢坯直接与连铸辊接触,连铸辊两端的轴承座最高点与钢坯之间的距离非常近,如果轴承所接受的热量不能有效地散发,冷却未到位,过高的温度会引起轴承热变形,并会在大载荷下破裂,致使轴承过早失效,影响整个连铸铸钢的生产。因此,必须对连铸辊轴承座内部进行冷却,以保证轴承在规定温度范围内运行。

1 连铸辊轴承的CAD与CAE模型

1.1 连铸辊轴承的CAD三维几何模型

根据某炼钢厂提供的轴承的型号及图纸,使用目前主流的三维CAD设计软件建立连铸辊轴承的三维CAD整体装配模型,如图1所示。

对于连铸辊轴承的装配模型,在不影响连铸辊轴承热应力、温度场以及应力场分析的前提下,对端盖上的螺栓孔做了简化处理。

1.2 连铸辊CAE模型

图1 连铸辊轴承的三维CAD装配模型

图2 连铸辊轴承装配的三维网格模型

1)连铸辊轴承网格模型的建立 严格按照三维CAD几何模型尺寸及结构特点,利用CAE前处理仿真软件来建立CAE分析的网格模型。

在热分析求解中,使用ANSYS对其计算分析。根据ANSYS单元类型要求,同时考虑到整个轴承装配体模型均为三维实体模型,笔者选择常用的SOLID70单元。对连铸辊轴承装配模型进行了网格划分,如图2所示。装配模型的网格划分是划分网格最为困难的工作,由于其内部通有冷却水管道,不得不对其内部进行区分画网格,在形状极其不规则的地方使用了四面体网格与五面体网格,网格质量不如六面体网格质量高,但四面体网格与五面体网格数量较少,对整个模型的温度场影响较小。

2)材料的机械性能 连铸辊轴承装配体中各主要零部件所采用材料的机械性能如表1[1]所示。

3)材料的物性参数 连铸辊装配是由轴承座、轴承盖、轴承环和连铸辊组成。建立模型过程中采用材料的物性参数见表2[2-4],轴承座使用的材料则是Q345-D。

表1 主要零部件材料机械性能

表2 材料物性参数表材料

2 连铸辊轴承热分析的数学模型描述及边界条件确定

热仿真分析用于计算某个系统或零部件的温度分布情况,从而得到相应的热物理参数(如系统得到或者损失的热量值、热梯度、热通量等)。由于是用温度作为基本参数进行计算,因此热分析也被称为温度场计算。

连铸辊轴承的传热过程可近似地看作是稳态传热过程,满足如下导热方程[5]:

式中,x,y,z为系统的坐标;k2为材料的热传导系数,W/(m·K);ρ为材料的密度,kg/m3;Cp材料比热,J/(kg·℃);T为所求温度函数,℃;t为时间,s。

在整个传热系统中,还包括高温钢坯对连铸辊的热传导与热辐射,高温钢坯对轴承座的热辐射。考虑到辐射换热的平面很多,并且为高度非线性的,计算时需要花费很长时间,笔者对辐射做了简化,用对流换热的形式来代替辐射换热形式,也就是选取一个等价的对流换热系数代替所承受辐射换热。

在一般情况下,自然对流系数为5～10W/(m2·K),计算式[6]为:

式中,h为连铸辊轴承与周围空气对流换热系数;Ts为连铸辊轴承温度,℃;Ta为连铸辊轴承周围空气温度,℃;

按传热学理论[7],连铸辊轴承、轴承座以及连铸辊与空气的对流换热表面传热系数按式(3)计算:

式中,hc为表面传热系数(热交换系数),W/(m2·K);Nu为努塞尔(Nusselt)数;λ为导热系数, W/(m·K);L为特征长度,m。

笔者将钢坯与周围辐射换热转化为对流换热,它们的等价对流换热系数表达式[8]为:

式中,hr为连铸辊与周围空气辐射等价换流系数,W/(m2·K);B为Boltzman常数,5.67e×10-8W/(m2·K4);ε为黑度,钢坯向周围环境辐射的系数ε取0.8。

因此,复合对流换热系数为:

取连铸辊周围空气温度为300℃,其与周围空气的对流系数取15W/(m2·K)。通过公式(4)可以算出折算之后的对流系数18.4W/(m2·K),因此连铸辊与环境的复合对流系数为33.4W/(m2·K)。

3 连铸辊轴承座热仿真分析

由于温度场的热源是从结晶器出来的高温钢坯,连铸辊轴承所处的工作环境复杂,整个轴承处在轴承座内。根据轴承座的温度、轧辊温度、轴承座环境温度、以及轴承座冷却水温度来推算轴承温度。并且通过ANSYS软件来仿真。

热分析计算出的连铸辊轴承装配体的温度场分布如图3所示。通过仿真结果可以看出,整个装配体的温度是从连铸辊到轴承座依次降低,呈分层分布;温度场基本上成对称分布。

图4为连铸辊轴承座的温度场分析结果,由于轴承座内通冷却水使轴承座腔内的温度保持在轴承正常工作的温度范围内,因此整个轴承座内温度不是很高[9]。温度最高处是靠近连铸辊端的部位,这是由于此部位靠近连铸辊,而连铸辊是高温的,该部位接受来自钢坯以及连铸辊的热辐射,使自身温度升高。

提取计算结果并与点温枪和温度传感器实测温度(由钢厂提供)比较可知,轴承座以及连铸辊外表面仿真温度与实测温度基本相同,二者最大误差不超过9%,表明有限元仿真分析整个连铸辊轴承温度场的结果是正确有效的(见表3)。

图3 连铸辊轴承装配体温度场

图4 连铸辊轴承座温度场

4 结语

_表3 连铸辊轴承座主要部位仿真温度与实测温度对比部件

采用有限元分析软件对轴承座稳态工作时的温度场分布进行仿真分析。通过分析结果可以看出,轴承座在有冷却水的条件下轴承内圈温度最高,外圈温度最低,温度由内圈至外圈传递,但在X轴方向(即连铸辊至端盖方向)上温度梯度很大,会产生很高的热膨胀应力。在极限条件下,轴承座的温度过高达到103℃,高出了高温润滑脂的正常工作温度,这会使润滑系统失效,从而导致轴承的失效。这对连铸辊轴承座的设计安装提供了理论指导意义。

[1]曹永.混合陶瓷角接触球轴承温度场分布的有限元分析[D].天津:天津大学,2008.

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[编辑]洪云飞

TH123.1

A

1673-1409(2014)19-0059-03

2014-02-10

国家自然科学基金资助项目(71271160)。

戴维(1993-),男,现主要从事机械设计制造及其自动化专业的学习。