滾滑軸承的摩擦熱仿真分析

盧黎明，盧晉夫，李夫

(1.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西南昌 330013；2.江西工業職業技術學院機電工程學院，江西南昌 330099)

0 前言

滾滑軸承是基于圓柱滾子軸承和浮環動壓滑動軸承而產生的一種新型軸承，由內圈、外圈、滾子和滑塊組成，盧黎明等認為該軸承在重載低速及間歇運動等工況有較大的優勢。軸承承載運動時會產生摩擦阻力,其大小可通過摩擦力矩來體現，FERNANDES等通過仿真和試驗研究了軸承的摩擦力矩，找出了其形成規律及影響因素。摩擦產生的熱量會使軸承零件的溫度升高，產生熱膨脹，破壞零件間的配合關系，影響軸承運動的靈活性。洪溢巡、韓軍等人用ANSYS進行了軸承摩擦熱的動態仿真，找到了軸承溫度升高的原因。POULY等對角接觸球軸承進行熱網絡模型分析，找出了油氣流動對摩擦熱的影響規律。目前，對軸承摩擦熱的分析主要有3種方法：(1)熱網絡法，陳冬冬、王東峰等利用熱網絡法分析了軸承的溫升原因及發熱特性; (2)有限元法，常浩捷、任朝暉等用ANSYS對軸承進行溫度場分析，得到了其變化規律及影響因素;(3)試驗法，徐思友、張海鵬等通過試驗方法對軸承的溫度場進行了研究，得到其變化規律及影響因素。為探究滾滑軸承承載運動時摩擦熱引起其溫度變化的規律，為該新型軸承的設計提供參考，鑒于實測軸承內部零件因摩擦熱而引起的瞬態溫升比較困難，本文作者擬通過ABAQUS 有限元法研究該新型軸承承載運動過程中的摩擦動力學、摩擦熱的產生及傳導規律。

1 滾滑軸承的結構及工作機制

滾滑軸承主要由外圈1、滑塊2、彈性圓柱滾子3和內圈4構成，如圖1所示。因圓柱滾子具有徑向彈性，使得它在工作過程中能與內、外圈保持良好的接觸。內、外圈與滑塊之間有微小間隙，在滾子的推力及摩擦力、套圈的摩擦力的作用下，滑塊與內圈及外圈之間產生楔形間隙。滾滑軸承采用油霧潤滑，軸承轉動時,油液進入滑塊與內圈及外圈之間的楔形間隙，產生楔形油膜，迫使滑塊與內圈及外圈隔開。因圓柱滾子滾動時具有彈性，滑塊與內圈及外圈之間有動壓油膜，因而滾滑軸承能較好地支承重載低速運動的軸頸。

圖1 滾滑軸承結構示意

2 滾滑軸承的摩擦動力學仿真模型

通過SolidWorks建立滾滑軸承三維實體模型，并將它導入ABAQUS中，參照NU2214圓柱滾子軸承尺寸，假定滾滑軸承模型結構參數如表1所示。

表1 滾滑軸承幾何參數

進入Property模塊創建材料、定義其參數，并將材料屬性賦予軸承每個零件。滾滑軸承熱分析時所需的參數如表2所示。

表2 滾滑軸承材料G20CrNi2Mo參數

各零件間施加的約束：外圈固定，內圈隨軸轉動，外圈、滾子、滑塊及內圈之間為剛體-剛體接觸，限制滾子、滑塊及內圈的軸向位移自由度，并給內圈施加一定轉速。

根據滾動軸承摩擦研究的現有經驗，設置滾滑軸承零件間的摩擦參數如下：接觸剛度系數為1×10,阻尼系數為10,切入深度為0.01 mm,受力指數為2.2,動態系數為0.1,靜態系數為0.05。

滾滑軸承適用于重載低速及間歇運動等工作場合。為探究該新型軸承承載運動中相關問題的變化規律，為其結構設計提供參考,以更好地用于重載列車,在內圈上施加30 kN的徑向重載及3 000 r/min的低速，得出的滾滑軸承摩擦動力學仿真模型如圖2所示。

圖2 滾滑軸承摩擦動力學模型

3 滾滑軸承的摩擦動力學

因外圈靜止、內圈隨軸轉動，滾子和滑塊的摩擦運動是滾滑軸承產生摩擦熱的關鍵因素。為觀測滾滑軸承啟動過程中滾子和滑塊的運動，將觀測點選在初始位置承受載荷最大的滾子及滑塊上，設滾子上的節點編號為8090、滑塊上的節點編號為7190,如圖3所示。

圖3 滾子與滑塊的觀測點

通過ABAQUS進行運動仿真分析并將其后處理中的數據導入Excel中，可得滾滑軸承啟動過程中滾子上節點8090的速度及加速度響應曲線如圖4所示,滑塊上節點7190的速度及加速度響應曲線如圖5所示。由圖4—圖5可知：在0～0.000 2 s內，速度、加速度為0; 在0.000 2～0.000 210 055 s內，速度和加速度變化不大，原因是ABAQUS對載荷的添加需要一個極短的反應時間; 在=0.000 210 055 s之后，速度和加速度劇烈變化，原因是隨著載荷的響應，滑塊、滾子與內圈、外圈之間的正壓力急增，引起摩擦力急增，進而使物體的推動力大大增加，故速度及加速度也隨之急劇增大。此外，滑塊的加速度比滾子的大，這是因為滾子曲率半徑比較小，而滑塊的曲率半徑與內圈、外圈半徑幾乎相等，在30 kN的重載作用下，滑塊的切向合力大于滾子的所致。

圖4 節點8090的速度及加速度曲線

圖5 節點7190的速度及加速度曲線

為觀測滾滑軸承運動過程中摩擦力矩的變化情況，利用ABAQUS進行摩擦動力學仿真分析并將其后處理中的數據導入MATLAB進行繪圖，得到其摩擦力矩曲線如圖6所示。

圖6 滾滑軸承的摩擦力矩

由圖6可知：在0～0.01 s內，滾滑軸承啟動時的摩擦力矩隨內圈轉速的增加而增大，在=0.004 9 s時增大到最大值99 696.54 N·mm，隨后摩擦力矩逐漸減小并最終趨于穩定，由靜摩擦轉為動摩擦。計算0.06～0.1 s內的所有摩擦力矩的平均值，可得動摩擦力矩為 54 571.67 N·mm。

4 滾滑軸承的摩擦熱瞬態溫度仿真

對建立的模型進行仿真，通過ABAQUS后處理模塊提取滾滑軸承整個運動過程中摩擦生熱的瞬態仿真溫度云圖，截取啟動提速階段和平穩工作階段滾滑軸承的溫度云圖，如圖7所示。

圖7 滾滑軸承啟動提速和勻速旋轉階段溫度云圖

由圖7可知：滾滑軸承在啟動提速階段，承載區呈現出一定溫升，而非承載區沒有呈現出溫升，這是因為承載區的摩擦力比非承載區大。承載區出現的溫升主要表現在內圈與滑塊、滾子的接觸區域，這是因為滾滑軸承滾動是通過內圈帶動滾子和滑塊運動而外圈不動，承載區的內圈與滑塊、滾子之間的摩擦力明顯大于外圈與滑塊、滾子之間的摩擦力。滾滑軸承平穩轉動時，承載區的溫升區域逐步移向非承載區，從=0.03 s和=0.06 s的溫度云圖可知，溫升區域嚴重不對稱，非承載區有升溫趨勢。無論是在滾滑軸承啟動階段還是在勻速轉動階段，滑塊與內圈、外圈接觸區域的溫升均大于滾子與內圈、外圈接觸區域的溫升，這是因為滑塊的滑動摩擦因數大于滾子的滾動摩擦因數。

5 滾滑軸承承載區摩擦熱引起的溫升

軸承承載運行過程中，載荷方向承載區域的工況最為惡劣，發熱最嚴重，直接影響軸承的溫升，易引起軸承滾道灼燒，甚至造成軸承膠合，降低軸承的使用壽命。軸承滾道的灼燒及破壞通常是從軸承的承載區開始的，研究軸承承載區的發熱量對于預防軸承的破壞、延長軸承的使用壽命具有重要意義。提取滾滑軸承承載運動過程中產生的摩擦能，如圖8所示。通過計算單位時間內摩擦能的變化率即可獲得滾滑軸承的發熱率。

圖8 摩擦能量曲線

對建立的模型進行仿真，得到軸承內圈、外圈的滾道溫度云圖，如圖9所示。

圖9 內外圈溫度分布云圖

由圖9可知：外圈滾道的溫升比內圈滾道更高，紅色部分為規定時刻滾子和滑塊碾過的內、外圈滾道產生的高溫區域，紫色及綠色部分為熱量通過熱傳導影響軸承其他未直接接觸的溫升區域。這是由于外圈固定，外圈承載區發熱量積累而內圈運動，內圈不同部位依次經過承載區所致。

圖10所示為提取的內、外圈滾道單元的溫度-時間曲線。

圖10 內、外圈滾道單元溫度歷程曲線

由圖10可知：滾滑軸承內圈滾道的溫度變化比外圈滾道的快；外圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現有規律的鋸齒狀，而內圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現無規則的鋸齒狀。這是因為軸承外圈滾道固定，滑塊和滾子碾過外圈滾道的位置無變化，而內圈滾道是轉動的，內圈滾道與滑塊、滾子的接觸位置會產生變化。

外圈重載區位置固定，散熱相對困難，因此是滾滑軸承發熱影響最嚴重的地方。為探究外圈承載區在一定載荷和轉速下的熱流密度，任意提取外圈承載區中心及其左右邊緣3個單元的溫度歷程曲線。圖11所示為3個單元的提取示意，圖12所示為溫度-時間歷程曲線。由圖12可知：承載區中心處的溫升相對其邊緣處的溫升更快，且3個單元的溫升趨勢基本相同。3個單元的熱流密度如表3所示。

圖11 3個單元提取示意

圖12 3個單元的溫度-時間歷程曲線

表3 外圈承載區3個單元的熱流密度

由表3可知：軸承外圈3個承載單元1、2、3的熱流密度值比較接近，即在載荷及轉速一定的條件下，軸承承載區各處的熱流密度值相對穩定。通過表3計算可知：在載荷為30 kN、速度為3 000 r/min的工況下，軸承承載區各點熱流密度的平均值為9.411×10W/m，而整個軸承的平均熱流密度為1.192×10W/m，比較兩者可知軸承承載區的熱流密度占整個軸承熱流密度的79%。

6 結論

(1)滾滑軸承由啟動到穩定運轉, 其摩擦力矩由小到大，再變小，最后趨于穩定；其滾子、滑塊的速度和加速度經短暫為零后急劇增大；

(2)滾滑軸承在啟動階段，承載區呈現一定溫升，非承載區基本上無溫升，溫升主要呈現在內圈與滑塊、滾子的接觸區域；在平穩運轉階段，承載區的溫升區域呈現不對稱性，明顯靠向非承載區，非承載區有溫度上升趨勢；在啟動和運轉階段，滑塊與內圈、外圈接觸區域的溫升大于滾子與內圈、外圈接觸區域的溫升；

(3) 外圈承載區滾道的熱量積累比內圈滾道的更嚴重，且外圈承載區中心區域的溫升相對其邊緣區域的溫升更快；外圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現有規律的鋸齒狀，而內圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現無規則的鋸齒狀。