發熱量及環境溫度對回轉支承的溫度影響分析

鮑和鵬，吳 芳，陳 武

（馬鞍山方圓精密機械有限公司，安徽馬鞍山 243104）

0 引言

回轉支承主要由滾動體、內圈和外圈等部分構成，是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，可以同時承受較大的軸向負荷、徑向負荷以及傾覆力矩[1-2]。高溫回轉支承主要在高溫環境下應用，要承受運轉過程中的巨大熱應力，研究高溫回轉支承的溫度變化規律，對高溫回轉支承的合理應用具有非常重要的作用。

國內外很多學者對回轉支承在高溫環境下的承載能力進行了研究。葉海艦研究了高溫回轉支承的動態性能并進行了優化設計[3]。Sordi等研究了Fe-Mn-Al鋼在500～800 ℃的蠕變行為，通過Norton、Arrhenius和Monkman-Grant關系對所研究的溫度和應力范圍內的蠕變機理進行了討論，發現了在所研究溫度范圍內微結構的不穩定性與低蠕變延性有關[4]。楊垂錦等人對40Cr鋼材料做了高溫下的蠕變實驗，得到了40Cr鋼材料在不同實驗應力及溫度水平下的蠕變曲線，并分析了應力、溫度與蠕變速率的影響[5]。于富冬對長期在高溫環境下工作的回轉支承進行了蠕變分析，探究回轉支承長時間在高溫下工作發生蠕變破壞的可能性，得到其在高溫環境下工作時不發生蠕變破壞的安全工作時間[6]。

引起回轉支承過熱的原因多種多樣，本文從外部環境及發熱量角度出發，采用有限元法，分析高溫環境下回轉支承受發熱量及外部環境影響的溫度變化規律，供工程設計及應用參考。

1 回轉支承簡介

如圖1所示為內齒式四點接觸球式回轉支承的結構示意圖，主要由滾動體鋼球、內套圈和外套圈等部分組成。由于其結構比較緊湊、重量較輕，并且能夠承受徑向力、軸向力以及傾覆力矩，因此應用廣泛。

本文的研究對象是內齒式單排四點接觸回轉支承，共有106個滾動體；內齒的齒數為125，滾動體直徑為50.8 mm；內、外圈材料為42CrMo，球體材料為GCr15，隔離塊的材料為錫青銅QSn4-3，密封條材料為耐高溫氟橡膠；應用場合為鋼廠等高溫環境下，外界溫度在60～200 ℃。

2 回轉支承溫度場分析前處理

2.1 回轉支承三維模型

利用三維建模軟件UG構造回轉支承三維模型，采用周期邊界建立周期模型，如圖2所示。

2.2 網格劃分及邊界條件設置

回轉支承的網格模型如圖3所示，采用周期邊界。

圖1 內齒式四點接觸球式回轉支承結構

圖2 回轉支承三維模型（周期模型）

3 溫度場計算結果

圖3 回轉支承的網格模型

圖4 不同環境溫度下的回轉支承的溫度分布（500 W）

表1 不同位置平均溫度（500 W）%%℃

圖5 不同環境溫度下的回轉支承的溫度分布（1000 W）

圖6 各位置溫度隨空氣溫度（外部環境溫度）變化的趨勢

當總體生熱量為500 W時，不同環境溫度下的回轉支承溫度分布如圖4所示，不同位置平均溫度見表1。當總體生熱量為1000 W時，不同環境溫度下的回轉支承溫度分布如圖5所示，不同位置平均溫度見表2。圖6為各位置溫度隨空氣溫度（外部環境溫度）變化的趨勢，可以看出各位置的溫度隨空氣溫度（外部環境溫度）增加呈線性增加的趨勢，各位置的變化規律基本相同。圖7為在不同發熱量工況下各位置溫度的變化規律，可以看出發熱量高時，各位置的溫度高，其中滾子溫度最高。由圖8可以看出，在不同發熱量的情況下，回轉支承的各位置溫度變化規律相同，均呈線性增加趨勢。

表2 不同位置平均溫度（1000 W）%%℃

圖7 不同發熱量工況下各位置溫度的變化規律

4 結論

利用有限元法對高溫回轉支承的溫度場進行分析，建立回轉支承的三維模型，劃分回轉支承的熱分析網格，設置邊界條件，獲取各位置的溫度場分布。分析不同發熱量時各位置的溫度場變化規律，回轉支承各位置的溫度隨環境溫度升高而升高。在不同發熱量的情況下，最高溫度均出現在滾子上，但溫度差較小。

圖8 不同發熱量各位置的溫度變化趨勢