角接触球轴承热结构仿真分析

张义民，安佳琦，李铁军，商 强

（沈阳化工大学装备可靠性研究所，辽宁 沈阳 110000）

1 引言

轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。在实际工况中，相互接触的轴承各部件间相互摩擦发热，如果轴承内部热量不能及时有效达到热平衡，将会导致轴承系统温度过高，从而引起轴承热变形及内部接触状态的改变，从而影响轴承的精度和寿命。因此，针对轴承热结构的研究具有重要意义。文献[1-2]分析了高速角接触球轴承的受力，对高速角接触球轴承的摩擦热进行了计算，给出了轴承的温度分布。文献[3-4]利用热网络法建立了温度场的计算模型，研究了工况参数对轴承生热量、温度和热诱导载荷的影响规律。文献[5]从理论上分析了高速精密角接触球轴承的同时给出了转速对温升的影响及最佳预紧力和润滑油量参考值。文献[6]还采用灰关联度分析对温度和转速的影响关联度，并提出热生成与轴承转速、载荷、离心力和自旋有关。文献[7]利用ANSYS 对轴承温度场进行仿真，得到稳态工况下的轴承温度场。文献[8]在考虑结合面接触热阻的情况下建立了轴承的热传递模型，利用ANSYS 获得了轴承温度场。文献[9]采用有限元法和试验法研究了轴承的温度场，二者基本一致，但试验法测得的温度略高，并得出自旋对轴承温升的影响很大不可忽略。文献[10]建立了电主轴的热结构耦合有限元分析模型，利用ANSYS软件对电主轴的温度场及其热变形进行了仿真分析，并通过实验进行了验证。文献[11]运用ANSYS 分析了轴承的温度和热变形，为研究滚动轴承的热变形和游隙问题提供了依据。

使用Ansys 有限元方法对轴承温度场进行仿真，建立了轴承瞬态热结构分析模型，分别对内外圈和滚动体随温升引起的时变特性进行了仿真分析，得到了轴承各关键部分的温升规律及热变形规律，为进一步研究轴承热诱导的动态接触特性和热诱导的精度渐变可靠性奠定了基础。

2 热结构分析有限元模型

2.1 模型的建立

为研究角接触球轴承的温升分布，以25TAC62B 角接触球轴承为例，利用ANSYS Workbench 建立轴承瞬态热模型，对轴承运转过程的温度场和热变形进行了仿真分析。具体的轴承模型参数，如表1 所示。25TAC62B 角接触球轴承几何模型，如图1 所示。

表1 角接触球轴承的结构参数Tab.1 Structural Parameters of Angular Contact Ball Bearings

图1 角接触球轴承ANSYS Workbench 的几何模型Fig.1 Geometric Model of Angular Contact Ball Bearing in ANSYS Workbench

2.2 边界条件的确定

根据文献[12]提出的观点，将轴承产生的摩擦热50%传到滚动体上，50%传到套圈上，设定轴承生热φ=20W，则外沟道和内沟道各生热5W，平均每个球生热0.555W，轴承外表面和空气对流传热系数取h=12W/（m2·K）。

3 温度场和热变形分析

3.1 温度场分析

利用Workbench 对轴承温度场进行有限元分析，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，路径及温度分布，如图2 所示。

图2 轴承路径及温度分布云图Fig.2 Cloud Diagram of Bearing Path and Temperature Distribution

图中路径贯穿内圈为节点1～3，贯穿球体为节点4～8，贯穿外圈为节点9～11。针对运转不同时间的轴承模型进行仿真，得出轴承内外圈和球的温度分布，如图3 所示。

图3 不同时间下轴承关键节点温度随半径变化图Fig.3 Variation Diagram of Bearing Key Node Temperature with Radius at Different Times

由图3 可以看出，随时间的延长，轴承温度逐渐升高。对于轴承内圈，由内向外温度逐渐升高，内圈外表面温度最高；对于球，随着半径的增加温度逐渐升高，表面温度最高；对于轴承外圈，由外向内温度逐渐升高，外圈内表面温度最高。

3.2 热变形分析

针对轴承运转不同时间静态结构的热变形分析仿真结果，如图4 所示。

图4 不同时间下轴承变形量随半径变化图Fig.4 Bearing Deformation Changes with Radius at Different Times

由图4 得知，内圈随半径的变形量为正，表明随轴承运转，内圈受热向外膨胀；靠近内圈的一侧球的变形量为正，球受内圈挤压向外形变，靠近外圈的一侧球的变形量为负，球受外圈挤压向内形变，但整体为负，表明球受热整体向内膨胀；外圈随半径的变形量为负，表明外圈受热向内膨胀。另外，分别取内圈外表面（r=16.2mm）、球心（r=21.75mm）以及外圈内表面（r=27.3mm）所对应的变形量，即得出三者随时间的变形量，如图5 所示。

图5 不同时间下轴承内、外圈和球的变形量Fig.5 Deformation of Inner Ring，Outer Ring and Ball of Bearing at Different Times

由图5 得知，外圈和球变形量为负，整体向内膨胀，内圈变形量为正，整体向外膨胀。球受热膨胀，并受内外侧共同挤压，由于外侧的挤压多于内侧，因此整体被压紧。由此可以推测，轴承温升过高可能会引起轴承过度磨损或者卡死等形式的失效，因此对温升的控制就变得异常重要。基于轴承热结构瞬态分析模型，可以进一步分析滚动体与内外圈的接触区域变化，接触刚度变化等热接触特性；还可以通过此模型分析轴承的径向和轴向游隙随温升的变化。上述因素会影响轴承定位精度，考虑到轴承工作载荷以及制造安装中有很多随机因素会影响摩擦热，因此可以进一步分析摩擦热诱导的定位精度可靠性。

4 结论

通过有限元仿真分析，可以得出以下结论：

（1）在瞬态热分析模型中，随时间增加，轴承各元件温度越来越高。其中，内圈温度随半径增加逐渐升高，外圈温度随半径增加逐渐降低，球表面温度最高。（2）轴承受温升的影响，随时间增加，轴承内圈受热后向半径增大方向膨胀，外圈向半径减小方向膨胀，在内圈和外圈共同挤压下球的半径变小，整体向半径减小方向被压紧。（3）建立的轴承瞬态热分析模型以及基于此模型获得的温升和热变形规律，为进一步研究轴承热诱导的动态触特性和热诱导的精度渐变可靠性奠定基础。