高速小型復(fù)合分子泵的軸承溫度場(chǎng)分析

周洪蘋(píng) 向北平 丁占軍 付 康

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

?

高速小型復(fù)合分子泵的軸承溫度場(chǎng)分析

周洪蘋(píng) 向北平 丁占軍 付 康

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

高速小型復(fù)合分子泵中的軸承為混合陶瓷球軸承，軸承在工作過(guò)程中由于摩擦力矩會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，影響分子泵的正常工作。采用Palmgren發(fā)熱量計(jì)算模型給出了具體工況下陶瓷球軸承生熱量的計(jì)算公式，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS Workbench得到了軸承的溫度場(chǎng)分布，為陶瓷球軸承的潤(rùn)滑和延壽奠定基礎(chǔ)。

溫度場(chǎng) 陶瓷球軸承 有限元

隨著軸承行業(yè)的不斷發(fā)展，要求軸承有更高的轉(zhuǎn)速和更長(zhǎng)的壽命。正因如此，混合陶瓷球軸承以其優(yōu)越的性能，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。對(duì)于滾動(dòng)軸承，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦力矩增加，導(dǎo)致軸承內(nèi)部熱量積聚。如果積聚的熱量未能及時(shí)傳遞出去，那么軸承的溫度會(huì)急劇升高，大量的消耗潤(rùn)滑油，對(duì)軸承的磨損加劇，使軸承的性能下降。同時(shí)，溫度的異常升高易導(dǎo)致軸承過(guò)早疲勞失效，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致軸承膠合和咬死，使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此研究軸承的溫度場(chǎng)具有非常重要的意義。

以高速小型復(fù)合分子泵中的陶瓷球軸承為研究對(duì)象，考慮陶瓷球軸承的材料特性和高轉(zhuǎn)速等復(fù)雜的工作條件，分析計(jì)算陶瓷球軸承由摩擦力矩而產(chǎn)生的熱量，并利用有限元分析軟件ANSYS workbench對(duì)其溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行研究。

1 生熱量的確定

軸承摩擦力矩的計(jì)算是分析軸承溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)。軸承摩擦力矩是指各種摩擦因素對(duì)球軸承旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的阻力矩,不僅涉及軸承結(jié)構(gòu)、尺寸、幾何精度、材料及熱處理性能等參數(shù),還與工作載荷、裝配精度、潤(rùn)滑條件及環(huán)境等參數(shù)有關(guān),各種因素相互作用,相互干擾,分析過(guò)程復(fù)雜[1]。計(jì)算滾動(dòng)軸承摩擦力矩的方式有很多種，其中應(yīng)用最為廣泛的一種方法為Palmgren法。Palmgren和Lundberg對(duì)各種類型和尺寸的軸承進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，提出軸承摩擦力矩的經(jīng)驗(yàn)公式：

M=M1+MV

(1)

式中M為滾動(dòng)軸承總摩擦力矩，單位為N·mm；M1為與軸承承受載荷有關(guān)的摩擦力矩，單位為N·mm；MV為與軸承類型、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油性質(zhì)有關(guān)的摩擦力矩，單位為N·mm。

(1)滾動(dòng)軸承由載荷引起的摩擦力矩可以依據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

M1=f1Fβdm

(2)

其中Fβ為當(dāng)量動(dòng)載荷，單位為N；dm為軸承節(jié)圓直徑，單位為mm。其中f1是一個(gè)與軸承結(jié)構(gòu)和載荷有關(guān)的系數(shù)。

(2)潤(rùn)滑劑黏性摩擦產(chǎn)生的力矩

式中v0為工作溫度下潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)黏度(脂潤(rùn)滑時(shí)取基油的黏度)，單位為mm2/s；f0為與軸承類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的系數(shù)[2]。

(3)軸承摩擦引起的生熱量計(jì)算公式為

H=1.047×10-4Mn

(4)

式中H為生熱量，單位為W；n為軸承轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

2 軸承溫度場(chǎng)分布的仿真分析

隨著一批有限元分析軟件的發(fā)展和成熟，如ANSYS，ABAQUS等，有限元分析方法已經(jīng)逐漸成為分析軸承溫度場(chǎng)的一個(gè)重要方法。本文采用ANSYS workbench中的穩(wěn)態(tài)熱分析(Steady-state Thermal)對(duì)混合陶瓷球軸承的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析[3]。

2.1 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

高速小型復(fù)合分子泵中的陶瓷球軸承是基本型號(hào)為624的深溝球軸承，利用ANSYS workbench的建模板塊建立軸承的三維模型，建模參數(shù)如表1 。

表1 軸承建模的主要參數(shù)Table 1 The main modeling parameters of bearing

由于軸承的倒角、邊棱等對(duì)軸承內(nèi)部的發(fā)熱和傳熱的影響很小,建立模型時(shí)忽略了倒角和邊棱。同時(shí)也為了方便分析,沒(méi)有考慮保持架的影響[4]。

本文研究的軸承為混合陶瓷球軸承，軸承內(nèi)外圈材料為軸承鋼，滾動(dòng)體材料為氮化硅(Si3N4)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[5]，得軸承穩(wěn)態(tài)熱分析中需要的材料參數(shù)如表2，添加到材料庫(kù)(Engineering Data)中。

表2 材料參數(shù)Table 2 The material parameters

ANSYS Workbench本身具有強(qiáng)大的自動(dòng)劃分網(wǎng)格的功能，在軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，結(jié)合六面體主導(dǎo)法(Hex Dominant Method)、映射面網(wǎng)格劃分(Mapped Face Meshing)和多區(qū)域法(MultiZone)得到混合陶瓷軸承的網(wǎng)格，共產(chǎn)生71 830個(gè)單元和 288 175個(gè)節(jié)點(diǎn)。軸承網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

圖1 軸承網(wǎng)格Fig.1 The mesh of bearing

2.2 熱邊界條件

軸承由于摩擦產(chǎn)生的熱量，將通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射的方式進(jìn)行傳遞和散發(fā)。軸承內(nèi)部通過(guò)熱輻射的形式傳遞的熱量很少，且滾動(dòng)體和軸承內(nèi)外圈的溫度差別不是很大，所以在熱分析的過(guò)程中忽略熱輻射的影響。

軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油與內(nèi)、外圈滾道的對(duì)流換熱為強(qiáng)制對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)可按下式計(jì)算：

(6)

熱穩(wěn)態(tài)分析時(shí)施加如下邊界條件：(1)混合陶瓷軸承中的摩擦主要發(fā)生在滾動(dòng)體與內(nèi)外滾道接觸的表面上，故將生熱量以熱流率的形式加載到軸承滾道的接觸面上；(2)混合陶瓷軸承內(nèi)部潤(rùn)滑油與內(nèi)、外圈滾道的對(duì)流換熱為強(qiáng)制對(duì)流換熱。根據(jù)理論計(jì)算分別在軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體、軸承外圈加載對(duì)流換熱系數(shù)為350 (W/m2·℃)，579 (W/m2·℃)，320 (W/m2·℃)。(3)設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃。如圖2所示。

圖2 軸承熱邊界條件Fig.2 The thermal boundary conditions of bearing

2.3 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

圖3是通過(guò)在ANSYS Workbench中仿真計(jì)算，得到的混合陶瓷球軸承在徑向載荷Fr=20 N和轉(zhuǎn)速n=72 000 r/min時(shí)的軸承溫度場(chǎng)分布圖。可以看出軸承的溫度場(chǎng)分布具有一定的對(duì)稱性。軸承內(nèi)圈的溫度最高，其最高溫度出現(xiàn)在滾道與滾動(dòng)體接觸的表面上，同時(shí)也是整個(gè)軸承的最高溫度，為34.682 ℃；其次是滾動(dòng)體溫度，其最高溫度出現(xiàn)在與軸承內(nèi)圈滾道接觸的表面上，為33.494 ℃；軸承外圈的溫度相對(duì)較低，其最高溫度也出現(xiàn)在滾道與滾動(dòng)體接觸的表面上，約為30.377 ℃，整個(gè)軸承的最低溫度出現(xiàn)在軸承外圈的外表面上，為28.098 ℃。與實(shí)際測(cè)得的具體工況下的軸承溫度相符合。

圖3 軸承溫度場(chǎng)Fig.3 The temperature field distribution of the bearing

2.4 不同載荷不同轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫度的影響

為研究轉(zhuǎn)速和載荷與軸承溫度場(chǎng)的關(guān)系，計(jì)算了不同載荷和不同轉(zhuǎn)速下軸承最高溫度的變化。

從圖 4和圖5可以看出，保證其它工況參數(shù)一致的情況下，只改變轉(zhuǎn)速和載荷的大小，隨著轉(zhuǎn)速和載荷的增大，軸承最高溫度呈上升趨勢(shì)。

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)最高溫度的影響Fig.4 Effect of rotational speed on the maximum temperature

圖5 載荷對(duì)最高溫度的影響Fig.5 Effect of load on the maximum temperature

3 結(jié)論

本文采用Palmgren 發(fā)熱量計(jì)算模型將高速小型復(fù)合分子泵中的混合陶瓷球軸承在具體工況下的摩擦力矩轉(zhuǎn)換為生熱量，再利用ANSYS Workbench有限元分析法將生熱量作為熱源添加到熱邊界條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算，得到了混合陶瓷球軸承在具體工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布。混合陶瓷球軸承的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在滾動(dòng)體與軸承內(nèi)圈滾道接觸處，次高溫度區(qū)域?yàn)闈L動(dòng)體與軸承外圈滾道接觸處，外圈溫度略低于內(nèi)圈溫度。可以看出在混合陶瓷球軸承的內(nèi)外圈滾道處容易出現(xiàn)由于溫度過(guò)高而引起的失效。

[1] 鄭傳統(tǒng),徐紹仁,楊德卿,等. 球軸承摩擦力矩的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 軸承,2009,(8):52-56.

[2] HARRIS T A. Rolling Bearing Analysis[M].John Wiley and Sons ,1991.

[3] 買買提明·艾尼. ANSYS Workbench 14.0仿真技術(shù)與工程實(shí)踐[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2014.

[4] 蔣立冬,應(yīng)麗霞. 高速重載滾動(dòng)軸承接觸應(yīng)力和變形的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(10):62-64.

[5] 《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》編委會(huì).機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

Bearing Temperature Field Analysis of High Speed Small Composite Molecular Pump

ZHOU Hong-ping, XIANG Bei-ping, DING Zhan-jun, FU Kang

(SchoolofManufacturingScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621010,Sichuan,China)

Bearing of high speed small composite molecular pump is hybrid ceramic ball bearings. The friction torque of bearing generated a lot of heat, affecting the normal work of the composite molecular pump. Based on the special working conditions, the ceramic ball bearing heating was calculated. This paper applied the finite element method to get the temperature field distribution of the bearing. It laid the foundation for the ceramic ball bearing lubrication and Life extension.

Temperature field; Ceramic ball bearing; Finite Element Simulation

2015-01-16

國(guó)家重大儀器開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2013YQ1304290201)。

周洪蘋(píng)(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)檩S承熱分析。E-mail:806909645@qq.com

TH3

A

1671-8755(2015)02-0097-04