高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸承溫度場(chǎng)分析

賈曉沛，杜文韜

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高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架軸承溫度場(chǎng)分析

賈曉沛1，杜文韜2

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2.南京中車浦鎮(zhèn)工業(yè)物流有限公司，江蘇 南京 210031）

對(duì)CRH2G型動(dòng)車組拖車SKTB-200型轉(zhuǎn)向架軸箱裝置圓柱滾子軸承進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，利用熱網(wǎng)絡(luò)法建立圓柱滾子軸承熱網(wǎng)絡(luò)模型，并在理論上計(jì)算得出圓柱滾子軸承溫度微觀穩(wěn)態(tài)的最高值，再利用ANSYS進(jìn)行熱分析，對(duì)圓柱滾子軸承整體溫度場(chǎng)建立三維模擬仿真，得出基于動(dòng)力學(xué)的圓柱滾子軸承溫度場(chǎng)宏觀分布情況，從而判斷溫度對(duì)車輛圓柱滾子軸承的影響。

SKTB-200型轉(zhuǎn)向架；軸箱軸承；熱網(wǎng)格法；溫度場(chǎng)分析

在CRH2G型高速動(dòng)車組SKTB-200型轉(zhuǎn)向架軸箱軸承的實(shí)際工作中，軸承內(nèi)部零件之間的摩擦是導(dǎo)致軸承內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量的主要原因。為了延長(zhǎng)車輛軸承的壽命和保證列車運(yùn)營(yíng)的安全性，研究軸承溫度場(chǎng)分布對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架整體穩(wěn)定性有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義[1]。

1 熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算軸承溫度

1.1 軸承發(fā)熱量的計(jì)算

軸承內(nèi)部聚集的熱量主要是由軸承內(nèi)部零件間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦導(dǎo)致的。軸承內(nèi)部元件間的滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦及其他各種摩擦對(duì)軸承正常旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的阻力矩稱為軸承的總摩擦力矩，軸承的摩擦力矩是軸承發(fā)熱的主要因素[2]。

Palmgren用公式（1）描述摩擦力矩：

式（1）中：1為與軸承載荷有關(guān)的摩擦力矩；1為軸承型號(hào)和載荷有關(guān)的系數(shù)；1為軸承載荷，N；m為軸承平均直徑，mm。

對(duì)于中速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承，利用Palmgren建立經(jīng)驗(yàn)公式：

式（2）中：0為運(yùn)動(dòng)粘度，mm2/s；0為與軸承負(fù)荷無(wú)關(guān)的摩擦力矩；0為與軸承類型與潤(rùn)滑有關(guān)的系數(shù)；為軸承轉(zhuǎn)速，r/min。

在中等載荷和中等轉(zhuǎn)速條件下，滾動(dòng)軸承摩擦力矩為：

=1+0. （3）

式（3）中：為軸承中的總摩擦力矩用表示。由于1與0是基于經(jīng)驗(yàn)公式的，所以也包括了滾動(dòng)體在保持架兜孔中的滑動(dòng)的影響[3]。

滾動(dòng)軸承中的摩擦力矩與軸承的摩擦功耗關(guān)系密切，發(fā)熱量與摩擦力矩的關(guān)系為：

=1.047×104. （4）

1.2 對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算

1984年Harris提出圓柱滾子軸承對(duì)流換熱系數(shù)為：

式（5）中：為雷諾數(shù)；為普朗特?cái)?shù)；為導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m·℃）；m為軸承平均直徑，m。

軸承座外表面與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算如下：

式（6）中：α為軸承座外殼外面的環(huán)境溫度；α為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；為氣流流速；α為外殼直徑；α為空氣運(yùn)動(dòng)粘度。

當(dāng)內(nèi)圓筒（比如內(nèi)圈）旋轉(zhuǎn)時(shí)，的計(jì)算公式為：

流體空氣與軸承座圓柱表面之間的自然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算公式為：

式（8）中：f為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；h為軸承座圓柱表面直徑；r和r為葛拉曉夫準(zhǔn)則和普朗特準(zhǔn)則。

1.3 圓柱滾子軸承溫度場(chǎng)分析

圓柱滾子軸承內(nèi)部熱量的產(chǎn)生與熱量的傳遞可進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：只研究一個(gè)滾子產(chǎn)生于熱量的傳遞的過(guò)程，忽略潤(rùn)滑脂的影響。滾子軸承的熱節(jié)點(diǎn)布置如圖1所示，其熱節(jié)點(diǎn)如表1所示。

圖1 圓柱滾子軸承簡(jiǎn)化圖

表1 熱節(jié)點(diǎn)符號(hào)及其所代表的位置溫度

節(jié)點(diǎn)編號(hào)節(jié)點(diǎn)名稱 1軸段溫度節(jié)點(diǎn) 2軸承內(nèi)圈與軸接觸處溫度節(jié)點(diǎn) 3軸承內(nèi)圈與滾子接觸處溫度節(jié)點(diǎn) 4滾子溫度節(jié)點(diǎn) 5軸承外圈與滾子接觸處溫度節(jié)點(diǎn) 6軸承外圈與軸承座接觸溫度節(jié)點(diǎn) 7軸承座溫度節(jié)點(diǎn) A軸箱箱體內(nèi)平均溫度 O潤(rùn)滑脂平均溫度

根據(jù)圖1建立的軸承熱網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。圖2中，和分別為內(nèi)、外圈滾道的摩擦熱，箭頭表示熱流方向；為熱阻，下標(biāo)中的字母和分別為傳導(dǎo)和對(duì)流，下標(biāo)數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)號(hào)。

圖2 圓柱滾子軸承熱網(wǎng)絡(luò)圖

導(dǎo)熱熱阻分為平面和圓柱面兩種情況。

平面：

圓柱面：

式（9）（10）中：為軸向長(zhǎng)度；為導(dǎo)熱系數(shù)；為壁面面積；1和2為圓柱內(nèi)外壁直徑。

同理，對(duì)于對(duì)流換熱熱阻也可以分為平面對(duì)流和圓柱面對(duì)流兩種情況。

平面：

圓柱面：

根據(jù)式（12）可求得圖2中不同的熱阻值，式（10）需考慮熱傳導(dǎo)的方向性[4]，軸承鋼的導(dǎo)熱系數(shù)=40 w/（m·℃），軸的導(dǎo)熱系數(shù)s=40 w/（m·℃），軸承座的導(dǎo)熱系數(shù)h=152 w/（m·℃）。根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)圖，建立圓柱滾子軸承的熱平衡方程為：

由此可知，0=60 ℃，A=40 ℃，并求解熱平衡方程可得圓柱滾子軸承各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的穩(wěn)態(tài)溫度，如表2所示。

表2 熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算軸承穩(wěn)態(tài)溫度分布結(jié)果

熱節(jié)點(diǎn)符溫度值/℃熱節(jié)點(diǎn)符號(hào)溫度值/℃ T142.730 2T669.025 3 T279.700 3T768.973 9 T379.983 2To60 T476.038 5TA40 T569.649 5

從計(jì)算結(jié)果可以看出，溫度的最高值出現(xiàn)在滾子與軸承內(nèi)圈接觸處，計(jì)算得到的溫度值約為80 ℃；溫度的最低值出現(xiàn)在軸承座上，計(jì)算得到溫度值約為43 ℃。

2 基于ANSYS軸承溫度場(chǎng)分析

2.1 摩擦熱流量的計(jì)算

運(yùn)用局部法得到滾動(dòng)軸承各部件由外載荷引起的摩擦熱量計(jì)算式：

=s. （13）

式（13）中：為摩擦熱流量，w/m2；為摩擦系數(shù)；為接觸載荷，N/m2；s為相對(duì)滑動(dòng)速度，m/s。

分析得到的滾子分別與內(nèi)、外圈的摩擦熱流量如表3所示。1和2分別為滾子與內(nèi)、外圈的摩擦熱流量。由表3可知，隨著載荷的增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)，摩擦系數(shù)與載荷無(wú)關(guān)呈穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 內(nèi)、外圈摩擦熱流量

0°24°48° P/（N/m2）3.461 4×1082.585×1092.184 7×109 μ10.050.050.05 v1/（m/s）0.006 160.006 160.006 16 q1/（w/m2）1 066 111.2796 180627 887.6 μ20.060.060.06 v2/（m/s）0.008 850.008 850.008 85 q2/（w/m2）612 667.8457 545386 691.9

2.2 運(yùn)用Workbench分析軸承溫度場(chǎng)

運(yùn)用Workbench分析圓柱滾子軸承的溫度場(chǎng)，運(yùn)用軟件對(duì)軸承的分析步驟如下。

2.2.1 對(duì)材料進(jìn)行定義

設(shè)置軸承鋼GCr15的導(dǎo)熱系數(shù)為40 w/（m·℃）。

2.2.2 導(dǎo)入模型

在分析之前，對(duì)軸承內(nèi)、外滾道添加印記表面，如圖3所示。

圖3 圓柱滾子軸承幾何模型

2.2.3 施加熱載荷

圓柱滾子軸承的熱載荷如圖4所示。

圖4 圓柱滾子軸承的熱載荷

2.3 軸承溫度場(chǎng)的結(jié)果與分析

經(jīng)ANSYS仿真計(jì)算后，得到動(dòng)力學(xué)仿真的軸承溫度場(chǎng)，如圖 5 所示。

圖5 圓柱滾子軸承溫度場(chǎng)

通過(guò)以上仿真分析可知：①沿徑向方向最下端的滾子溫度最高，兩邊的滾子溫度依次降低。②通過(guò)ANSYS Workbench得到的溫度場(chǎng)最高溫出現(xiàn)在內(nèi)滾道上。③通過(guò)以上分析可知，最高溫出現(xiàn)在軸承內(nèi)滾道處，且受力最大的滾子溫度最高。因此，摩擦熱流量對(duì)溫度分布有很重要的影響。④對(duì)流換熱系數(shù)越大，散熱越好，因此，軸承部件溫升越低。

3 結(jié)論

本文將軸承的簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，分別求得摩擦熱流量，將摩擦熱流量與對(duì)流換熱系數(shù)施加到有限元模型，得到基于動(dòng)力學(xué)的溫度場(chǎng)云圖，并對(duì)其進(jìn)行比較?；趧?dòng)力學(xué)得到的接觸應(yīng)力考慮到載荷沖擊以及摩擦力的影響，且摩擦系數(shù)也考慮到載荷的影響，因此，基于動(dòng)力學(xué)的軸承溫度場(chǎng)符合軸承實(shí)際工作的情況。

結(jié)合理論計(jì)算和仿真計(jì)算對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的可靠性，對(duì)今后高速列車轉(zhuǎn)向架子軸承溫度的分析提供了很大的幫助。

［1］陸鳳儀，鐘守炎.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］臧磊.漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪摩擦動(dòng)力學(xué)研究［D］.大連：大連交通大學(xué)，2012.

［3］羅繼偉，馬偉.滾動(dòng)軸承分析：軸承技術(shù)的基本概念［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］高耀東，李震.ANSYS Workbench機(jī)械工程應(yīng)用精華30例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

〔編輯：張思楠〕

2095－6835（2018）19－0104－03

U266.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.104

賈曉沛，男，山東萊蕪人，助理工程師，2015年畢業(yè)于大連交通大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄜ囕v工程。