發(fā)熱量及環(huán)境溫度對(duì)回轉(zhuǎn)支承的溫度影響分析

鮑和鵬，吳 芳，陳 武

（馬鞍山方圓精密機(jī)械有限公司，安徽馬鞍山 243104）

0 引言

回轉(zhuǎn)支承主要由滾動(dòng)體、內(nèi)圈和外圈等部分構(gòu)成，是一種能夠承受綜合載荷的大型軸承，可以同時(shí)承受較大的軸向負(fù)荷、徑向負(fù)荷以及傾覆力矩[1-2]。高溫回轉(zhuǎn)支承主要在高溫環(huán)境下應(yīng)用，要承受運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的巨大熱應(yīng)力，研究高溫回轉(zhuǎn)支承的溫度變化規(guī)律，對(duì)高溫回轉(zhuǎn)支承的合理應(yīng)用具有非常重要的作用。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)回轉(zhuǎn)支承在高溫環(huán)境下的承載能力進(jìn)行了研究。葉海艦研究了高溫回轉(zhuǎn)支承的動(dòng)態(tài)性能并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。Sordi等研究了Fe-Mn-Al鋼在500～800 ℃的蠕變行為，通過(guò)Norton、Arrhenius和Monkman-Grant關(guān)系對(duì)所研究的溫度和應(yīng)力范圍內(nèi)的蠕變機(jī)理進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)了在所研究溫度范圍內(nèi)微結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與低蠕變延性有關(guān)[4]。楊垂錦等人對(duì)40Cr鋼材料做了高溫下的蠕變實(shí)驗(yàn)，得到了40Cr鋼材料在不同實(shí)驗(yàn)應(yīng)力及溫度水平下的蠕變曲線，并分析了應(yīng)力、溫度與蠕變速率的影響[5]。于富冬對(duì)長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行了蠕變分析，探究回轉(zhuǎn)支承長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作發(fā)生蠕變破壞的可能性，得到其在高溫環(huán)境下工作時(shí)不發(fā)生蠕變破壞的安全工作時(shí)間[6]。

引起回轉(zhuǎn)支承過(guò)熱的原因多種多樣，本文從外部環(huán)境及發(fā)熱量角度出發(fā)，采用有限元法，分析高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承受發(fā)熱量及外部環(huán)境影響的溫度變化規(guī)律，供工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用參考。

1 回轉(zhuǎn)支承簡(jiǎn)介

如圖1所示為內(nèi)齒式四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由滾動(dòng)體鋼球、內(nèi)套圈和外套圈等部分組成。由于其結(jié)構(gòu)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(yīng)用廣泛。

本文的研究對(duì)象是內(nèi)齒式單排四點(diǎn)接觸回轉(zhuǎn)支承，共有106個(gè)滾動(dòng)體；內(nèi)齒的齒數(shù)為125，滾動(dòng)體直徑為50.8 mm；內(nèi)、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(yīng)用場(chǎng)合為鋼廠等高溫環(huán)境下，外界溫度在60～200 ℃。

2 回轉(zhuǎn)支承溫度場(chǎng)分析前處理

2.1 回轉(zhuǎn)支承三維模型

利用三維建模軟件UG構(gòu)造回轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

回轉(zhuǎn)支承的網(wǎng)格模型如圖3所示，采用周期邊界。

圖1 內(nèi)齒式四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)

圖2 回轉(zhuǎn)支承三維模型（周期模型）

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖3 回轉(zhuǎn)支承的網(wǎng)格模型

圖4 不同環(huán)境溫度下的回轉(zhuǎn)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(huán)境溫度下的回轉(zhuǎn)支承的溫度分布（1000 W）

圖6 各位置溫度隨空氣溫度（外部環(huán)境溫度）變化的趨勢(shì)

當(dāng)總體生熱量為500 W時(shí)，不同環(huán)境溫度下的回轉(zhuǎn)支承溫度分布如圖4所示，不同位置平均溫度見(jiàn)表1。當(dāng)總體生熱量為1000 W時(shí)，不同環(huán)境溫度下的回轉(zhuǎn)支承溫度分布如圖5所示，不同位置平均溫度見(jiàn)表2。圖6為各位置溫度隨空氣溫度（外部環(huán)境溫度）變化的趨勢(shì)，可以看出各位置的溫度隨空氣溫度（外部環(huán)境溫度）增加呈線性增加的趨勢(shì)，各位置的變化規(guī)律基本相同。圖7為在不同發(fā)熱量工況下各位置溫度的變化規(guī)律，可以看出發(fā)熱量高時(shí)，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(fā)熱量的情況下，回轉(zhuǎn)支承的各位置溫度變化規(guī)律相同，均呈線性增加趨勢(shì)。

表2 不同位置平均溫度（1000 W）%%℃

圖7 不同發(fā)熱量工況下各位置溫度的變化規(guī)律

4 結(jié)論

利用有限元法對(duì)高溫回轉(zhuǎn)支承的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，建立回轉(zhuǎn)支承的三維模型，劃分回轉(zhuǎn)支承的熱分析網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件，獲取各位置的溫度場(chǎng)分布。分析不同發(fā)熱量時(shí)各位置的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，回轉(zhuǎn)支承各位置的溫度隨環(huán)境溫度升高而升高。在不同發(fā)熱量的情況下，最高溫度均出現(xiàn)在滾子上，但溫度差較小。

圖8 不同發(fā)熱量各位置的溫度變化趨勢(shì)