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(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西南昌 330013；2.江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)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(huán)動(dòng)壓滑動(dòng)軸承而產(chǎn)生的一種新型軸承，由內(nèi)圈、外圈、滾子和滑塊組成，盧黎明等認(rèn)為該軸承在重載低速及間歇運(yùn)動(dòng)等工況有較大的優(yōu)勢(shì)。軸承承載運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力,其大小可通過摩擦力矩來體現(xiàn)，F(xiàn)ERNANDES等通過仿真和試驗(yàn)研究了軸承的摩擦力矩，找出了其形成規(guī)律及影響因素。摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使軸承零件的溫度升高，產(chǎn)生熱膨脹，破壞零件間的配合關(guān)系，影響軸承運(yùn)動(dòng)的靈活性。洪溢巡、韓軍等人用ANSYS進(jìn)行了軸承摩擦熱的動(dòng)態(tài)仿真，找到了軸承溫度升高的原因。POULY等對(duì)角接觸球軸承進(jìn)行熱網(wǎng)絡(luò)模型分析，找出了油氣流動(dòng)對(duì)摩擦熱的影響規(guī)律。目前，對(duì)軸承摩擦熱的分析主要有3種方法：(1)熱網(wǎng)絡(luò)法，陳冬冬、王東峰等利用熱網(wǎng)絡(luò)法分析了軸承的溫升原因及發(fā)熱特性; (2)有限元法，常浩捷、任朝暉等用ANSYS對(duì)軸承進(jìn)行溫度場分析，得到了其變化規(guī)律及影響因素;(3)試驗(yàn)法，徐思友、張海鵬等通過試驗(yàn)方法對(duì)軸承的溫度場進(jìn)行了研究，得到其變化規(guī)律及影響因素。為探究滾滑軸承承載運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦熱引起其溫度變化的規(guī)律，為該新型軸承的設(shè)計(jì)提供參考，鑒于實(shí)測軸承內(nèi)部零件因摩擦熱而引起的瞬態(tài)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(yùn)動(dòng)過程中的摩擦動(dòng)力學(xué)、摩擦熱的產(chǎn)生及傳導(dǎo)規(guī)律。

1 滾滑軸承的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)制

滾滑軸承主要由外圈1、滑塊2、彈性圓柱滾子3和內(nèi)圈4構(gòu)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(nèi)、外圈保持良好的接觸。內(nèi)、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(nèi)圈及外圈之間產(chǎn)生楔形間隙。滾滑軸承采用油霧潤滑，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),油液進(jìn)入滑塊與內(nèi)圈及外圈之間的楔形間隙，產(chǎn)生楔形油膜，迫使滑塊與內(nèi)圈及外圈隔開。因圓柱滾子滾動(dòng)時(shí)具有彈性，滑塊與內(nèi)圈及外圈之間有動(dòng)壓油膜，因而滾滑軸承能較好地支承重載低速運(yùn)動(dòng)的軸頸。

圖1 滾滑軸承結(jié)構(gòu)示意

2 滾滑軸承的摩擦動(dòng)力學(xué)仿真模型

通過SolidWorks建立滾滑軸承三維實(shí)體模型，并將它導(dǎo)入ABAQUS中，參照NU2214圓柱滾子軸承尺寸，假定滾滑軸承模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 滾滑軸承幾何參數(shù)

進(jìn)入Property模塊創(chuàng)建材料、定義其參數(shù)，并將材料屬性賦予軸承每個(gè)零件。滾滑軸承熱分析時(shí)所需的參數(shù)如表2所示。

表2 滾滑軸承材料G20CrNi2Mo參數(shù)

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

根據(jù)滾動(dòng)軸承摩擦研究的現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置滾滑軸承零件間的摩擦參數(shù)如下：接觸剛度系數(shù)為1×10,阻尼系數(shù)為10,切入深度為0.01 mm,受力指數(shù)為2.2,動(dòng)態(tài)系數(shù)為0.1,靜態(tài)系數(shù)為0.05。

滾滑軸承適用于重載低速及間歇運(yùn)動(dòng)等工作場合。為探究該新型軸承承載運(yùn)動(dòng)中相關(guān)問題的變化規(guī)律，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考,以更好地用于重載列車,在內(nèi)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(dòng)力學(xué)仿真模型如圖2所示。

圖2 滾滑軸承摩擦動(dòng)力學(xué)模型

3 滾滑軸承的摩擦動(dòng)力學(xué)

因外圈靜止、內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子和滑塊的摩擦運(yùn)動(dòng)是滾滑軸承產(chǎn)生摩擦熱的關(guān)鍵因素。為觀測滾滑軸承啟動(dòng)過程中滾子和滑塊的運(yùn)動(dòng)，將觀測點(diǎn)選在初始位置承受載荷最大的滾子及滑塊上，設(shè)滾子上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為8090、滑塊上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)為7190,如圖3所示。

圖3 滾子與滑塊的觀測點(diǎn)

通過ABAQUS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析并將其后處理中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel中，可得滾滑軸承啟動(dòng)過程中滾子上節(jié)點(diǎn)8090的速度及加速度響應(yīng)曲線如圖4所示,滑塊上節(jié)點(diǎn)7190的速度及加速度響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖4—圖5可知：在0～0.000 2 s內(nèi)，速度、加速度為0; 在0.000 2～0.000 210 055 s內(nèi)，速度和加速度變化不大，原因是ABAQUS對(duì)載荷的添加需要一個(gè)極短的反應(yīng)時(shí)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(yīng)，滑塊、滾子與內(nèi)圈、外圈之間的正壓力急增，引起摩擦力急增，進(jìn)而使物體的推動(dòng)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?yàn)闈L子曲率半徑比較小，而滑塊的曲率半徑與內(nèi)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(jié)點(diǎn)8090的速度及加速度曲線

圖5 節(jié)點(diǎn)7190的速度及加速度曲線

為觀測滾滑軸承運(yùn)動(dòng)過程中摩擦力矩的變化情況，利用ABAQUS進(jìn)行摩擦動(dòng)力學(xué)仿真分析并將其后處理中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)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(nèi)，滾滑軸承啟動(dòng)時(shí)的摩擦力矩隨內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的增加而增大，在=0.004 9 s時(shí)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(wěn)定，由靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦。計(jì)算0.06～0.1 s內(nèi)的所有摩擦力矩的平均值，可得動(dòng)摩擦力矩為 54 571.67 N·mm。

4 滾滑軸承的摩擦熱瞬態(tài)溫度仿真

對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真，通過ABAQUS后處理模塊提取滾滑軸承整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中摩擦生熱的瞬態(tài)仿真溫度云圖，截取啟動(dòng)提速階段和平穩(wěn)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(dòng)提速和勻速旋轉(zhuǎn)階段溫度云圖

由圖7可知：滾滑軸承在啟動(dòng)提速階段，承載區(qū)呈現(xiàn)出一定溫升，而非承載區(qū)沒有呈現(xiàn)出溫升，這是因?yàn)槌休d區(qū)的摩擦力比非承載區(qū)大。承載區(qū)出現(xiàn)的溫升主要表現(xiàn)在內(nèi)圈與滑塊、滾子的接觸區(qū)域，這是因?yàn)闈L滑軸承滾動(dòng)是通過內(nèi)圈帶動(dòng)滾子和滑塊運(yùn)動(dòng)而外圈不動(dòng)，承載區(qū)的內(nèi)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(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，承載區(qū)的溫升區(qū)域逐步移向非承載區(qū)，從=0.03 s和=0.06 s的溫度云圖可知，溫升區(qū)域嚴(yán)重不對(duì)稱，非承載區(qū)有升溫趨勢(shì)。無論是在滾滑軸承啟動(dòng)階段還是在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)階段，滑塊與內(nèi)圈、外圈接觸區(qū)域的溫升均大于滾子與內(nèi)圈、外圈接觸區(qū)域的溫升，這是因?yàn)榛瑝K的滑動(dòng)摩擦因數(shù)大于滾子的滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

5 滾滑軸承承載區(qū)摩擦熱引起的溫升

軸承承載運(yùn)行過程中，載荷方向承載區(qū)域的工況最為惡劣，發(fā)熱最嚴(yán)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(qū)開始的，研究軸承承載區(qū)的發(fā)熱量對(duì)于預(yù)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(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的摩擦能，如圖8所示。通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)摩擦能的變化率即可獲得滾滑軸承的發(fā)熱率。

圖8 摩擦能量曲線

對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真，得到軸承內(nèi)圈、外圈的滾道溫度云圖，如圖9所示。

圖9 內(nèi)外圈溫度分布云圖

由圖9可知：外圈滾道的溫升比內(nèi)圈滾道更高，紅色部分為規(guī)定時(shí)刻滾子和滑塊碾過的內(nèi)、外圈滾道產(chǎn)生的高溫區(qū)域，紫色及綠色部分為熱量通過熱傳導(dǎo)影響軸承其他未直接接觸的溫升區(qū)域。這是由于外圈固定，外圈承載區(qū)發(fā)熱量積累而內(nèi)圈運(yùn)動(dòng)，內(nèi)圈不同部位依次經(jīng)過承載區(qū)所致。

圖10所示為提取的內(nèi)、外圈滾道單元的溫度-時(shí)間曲線。

圖10 內(nèi)、外圈滾道單元溫度歷程曲線

由圖10可知：滾滑軸承內(nèi)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(xiàn)有規(guī)律的鋸齒狀，而內(nèi)圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現(xiàn)無規(guī)則的鋸齒狀。這是因?yàn)檩S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(nèi)圈滾道是轉(zhuǎn)動(dòng)的，內(nèi)圈滾道與滑塊、滾子的接觸位置會(huì)產(chǎn)生變化。

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

圖11 3個(gè)單元提取示意

圖12 3個(gè)單元的溫度-時(shí)間歷程曲線

表3 外圈承載區(qū)3個(gè)單元的熱流密度

由表3可知：軸承外圈3個(gè)承載單元1、2、3的熱流密度值比較接近，即在載荷及轉(zhuǎn)速一定的條件下，軸承承載區(qū)各處的熱流密度值相對(duì)穩(wěn)定。通過表3計(jì)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(qū)各點(diǎn)熱流密度的平均值為9.411×10W/m，而整個(gè)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(qū)的熱流密度占整個(gè)軸承熱流密度的79%。

6 結(jié)論

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

(2)滾滑軸承在啟動(dòng)階段，承載區(qū)呈現(xiàn)一定溫升，非承載區(qū)基本上無溫升，溫升主要呈現(xiàn)在內(nèi)圈與滑塊、滾子的接觸區(qū)域；在平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)階段，承載區(qū)的溫升區(qū)域呈現(xiàn)不對(duì)稱性，明顯靠向非承載區(qū)，非承載區(qū)有溫度上升趨勢(shì)；在啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)階段，滑塊與內(nèi)圈、外圈接觸區(qū)域的溫升大于滾子與內(nèi)圈、外圈接觸區(qū)域的溫升；

(3) 外圈承載區(qū)滾道的熱量積累比內(nèi)圈滾道的更嚴(yán)重，且外圈承載區(qū)中心區(qū)域的溫升相對(duì)其邊緣區(qū)域的溫升更快；外圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現(xiàn)有規(guī)律的鋸齒狀，而內(nèi)圈滾道單元的溫度歷程曲線呈現(xiàn)無規(guī)則的鋸齒狀。