某高速脂潤滑軸承強制冷卻分析

張延彬，劉良勇

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039）

某高速脂潤滑軸承強制冷卻分析

張延彬，劉良勇

（洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽471039）

摘 要：軸承發熱對其性能有著顯著影響。為了分析冷卻條件對冷卻效果的影響，對滾動軸承的強制散熱系統進行了建模，并利用該模型對某型號軸承在不同散熱條件下的溫度場進行定性分析。

關鍵詞：高速潤滑脂；軸承；發熱；強制散熱；建模

1 前言

隨著現代機械向著高速化方向發展，機械傳動系統及其零部件的熱問題日益凸顯。在航空、航天、兵器領域，被稱為發動機心臟的主軸軸承常常在DN值為（2.0～3.0）×106mm·r/min的高速和300多攝氏度的高溫環境下工作，甚至更高。若軸承內的摩擦熱及高溫環境傳給軸承的熱量不能有效地散發，則軸承可能因滾道及滾動體表面損傷而早期報廢。武裝直升機傳動系統在失去潤滑情況下處于極端工作狀態，傳動系統內零部件溫度急劇上升，滾動軸承的工作游隙會因熱膨脹而變為負值，甚至可能發生“抱軸”現象，保持架材料（通常為鋁青銅）可能因高溫而熔化等［1］。在機床領域，高速機床主軸的精密角接觸球軸承在工作過程中產生大量的摩擦熱是限制機床主軸高速性能、剛性性能和高功率性能的最主要原因。大部分的軸承摩擦熱通過傳導進入軸承零件，造成溫度上升，使軸承零件產生一定的熱位移，影響機床加工精度和質量。

眾多的失效形式歸根結底都是因“熱”而產生的，同時隨著武器裝備、機床等的發展，散熱問題越來越受到重視。因此，在新機器設計中，很有必要對傳動機器系統內零部件熱力學問題進行深入研究，本文主要針對滾動軸承的強制冷卻系統建立了一種軸承強制冷卻計算模型，并利用該模型分析冷卻條件對冷卻效果的影響。

2 技術原理和理論分析

2.1 熱傳遞模型

以某機械的冷卻系統為例建立高速脂潤滑軸承的冷卻模型。該機械的冷卻結構如圖1所示，主要由軸承套圈、軸承座以及密封零件構成。設定溫度的冷卻介質通過油泵以一定的壓力和速度由上部的冷卻液入口進入系統流經軸承外圈外徑表面，通過熱傳遞將軸承中的熱量帶走后通過冷卻液出口回到冷卻槽中。

2.1.1 軸承功率損失的計算模型

軸承功率損失的計算模型比較多，對計算精度要求較高條件下主要借助滾動軸承分析方法（擬動力學分析或者動力學分析）計算軸承的功率損失。通常在要求不太嚴格的情況下可以采用俄羅斯的B.M捷米道維奇等人在理論和試驗研究的基礎上提出的軸承功率損失計算模型［2］。

圖1 冷卻結構

對于球軸承，

式中， Z—滾動體個數；

do—滾動體直徑/m；

ρ—潤滑油密度/kg/m3；

Dm—軸承的節圓直徑/m；

n —軸承轉速/r/min；

α—接觸角/°。

雷諾數Re，歐拉數Eu及普朗特數 Pr的計算可參考相關文獻［4］。

2.1.2 熱量傳遞計算

軸承內部的熱量傳遞主要以熱傳導和熱對流為主，熱輻射對軸承的應用來說影響較小，常常可以忽略［3］。本模型只考慮熱量在軸承外圈、殼體、冷卻液之間的熱傳導。

下面利用有限元方法建立軸承套圈與冷卻液之間的熱傳導模型并對滾動軸承散熱問題進行求解。

根據軸承冷卻結構簡化后的模型如圖2所示，該模型未考慮套圈與軸承座之間的密封圈零件。冷卻液由冷卻入口進入軸承座上的冷卻槽，沿軸承外圈外表面流動并與外圈之間進行熱量交換，實現冷卻的目的，然后由與冷卻液入口位置對稱的冷卻液出口流出回到油槽，如此循環達到冷卻目的。

根據有限元分析要求首先定義、簡化、建立幾何模型，并定義套圈和冷卻液的物性參數，然后計算邊界條件和初始條件，接下來定義熱源和劃分網格，完成定義的有限元模型如圖3所示，下面定義求解的目標（要求關注的變量，比如溫度、壓力等）并進行有限元分析，最后可以查看結果（溫度場分布、冷卻液流線、冷卻液壓力等）。

圖 2 冷卻結構簡化模型

圖 3 計算網格

根據要求對模型填加初始條件（冷卻液入口流量、溫度以及出口的壓力），軸承生熱部位主要在套圈與滾動體發生滑動接觸的溝道上，忽略保持架與套圈、滾動體之間的發熱量。由功率損失公式計算軸承在溝道上的生熱率。

本文分析的目的是得出冷卻條件與軸承溫度場之間的關系，需要關注套圈及冷卻液溫度的變化情況，因此在分析過程中選擇套圈的溫度和冷卻液的溫度作為有限元分析的收斂變量（即收斂目標）。

3 實例分析

以7203B-2ZYC軸承為例，在承受8 000N徑向載荷、200N軸向載荷、內圈轉速為4 000r/ min工況下，對不同冷卻條件下軸承的冷卻效果進行分析。軸承結構參數如表1所示。軸承工況特點為高溫、高速、重載。為了得到準確的計算結果，利用專業軸承分析軟件COBRA對軸承進行動力學分析，計算軸承外圈溝道上的發熱功率為1 427W，初始條件下軸承套圈溫度與環境溫度相同，為155℃，據此給模型設置初始條件，如圖4所示。

表1 7203B-2ZYC軸承主要結構參數

圖 4 對求解目標進行監視

在求解過程可以對求解目標進行監視，如圖4所示，從中可以看到計算的當前值和迭代次數。圖中紅線為冷卻液溫度曲線，綠線為固體零件（套圈和軸承座）的溫度曲線。

求解后冷卻液的溫度分布（即穩態溫度）如圖5所示，冷卻液入口處的溫度最低，出口處溫度最高，這一趨勢與實際效果一致。入口處的溫度60℃左右，沿套圈的外徑出口方向溫度逐漸升高，出口處溫度最高，達到190℃。

圖5 冷卻液溫度分布

固體零件（軸承外圈和軸承座）的溫度分布如圖6所示，冷卻液入口處套圈和軸承座的溫度最低，為130℃左右，沿圓周方向出口處溫度逐漸升高，最高達到190℃。

圖6 固體零件溫度分布

不同冷卻液流量條件下軸承外圈上最高處溫度如圖7所示，由圖中可看出，隨著冷卻液流量的減小，軸承套圈的溫度呈上升趨勢。

圖7 不同冷卻條件的影響

4 結束語

本文的方法可直接應用于對滾動軸承的強制冷卻效果進行仿真分析，此方法也可以推廣應用于機械裝備的強制冷卻系統的設計分析，為冷卻系統設計提供理論基礎。

參考文獻：

［1］ 斯庫巴切犬斯基.航空燃氣渦輪發動機零件結構與計算［M］.北京：國防工業出版社，1992.

［2］ 劉志全，張永紅.高速滾動軸承熱分析 ［J］.潤滑與密封，1998，4：66-68.

［3］ 哈里斯著；羅繼偉譯.滾動軸承分析（原書第5版）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［4］ 斯庫巴切夫斯基著；張文杰等譯.航空燃氣渦輪發動機零件結構與計算［M］. 北京：國防工業出版社，1992.

（編輯：林小江）

中圖分類號：TH133.33+1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-4852（2016）02-0006-03

收稿日期：2016-05-30.

作者簡介：張延彬（1988-），男，助理工程師.

Forced cooling analysis on a high-speed grease-lubricated bearing

Zhang Yanbin， Liu Liangyong
（Luoyang Bearing Science and Technology Co. ，Ltd.， Luoyang 471039，China）

Abstract:Heat generation has notable influence on bearing's performance. In order to analyze the influence of cooling conditions on the cooling effect， the model of forced cooling system for a rolling bearing was established， the temperature feld of a certain type of bearing under different cooling conditions was qualitatively analyzed by the model.

Key words:high-speed grease；bearing； heat generation； forced cooling； establishing model