角接触球轴承热特性分析及试验

角接触球轴承热特性分析及试验

赵德鲁

黑龙江省哈尔滨市轴承集团公司 黑龙江省哈尔滨市 150030

摘要：滚动轴承是机械行业中最普通、应用最广的零部件，在机械设备中起着至关重要的作用。工程实际中，滚动轴承由于发热而引起的失效严重影响设备的正常工作。因此，对轴承的温度场研究至关重要。本文对角接触球轴承热特性及试验进行了重点阐述。

关键词：角接触球轴承；温度场；热位移

一、角接触球轴承简介

角接触球轴承(Angular Contact Ball Bearings)可同时承受径向、轴向负荷，能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15 度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。

单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时，会引起附加轴向力，必须施向相应的反向载荷，因此，该种轴承一般都成对使用。

双列角接触球轴承能承受较大的以径向载荷为主的径向、轴向双向联合载荷和力矩载荷，它能限制轴或外壳双向轴向位移，接触角为30度。成对安装角接触球轴承能承受以径向载荷为主的径向、轴向双向联合载荷，也可承受纯径向载荷。串联配置只能承受单一方向的轴向载荷，其他两种配置则可承受任一方向的轴向载荷。这种类型的轴承一般由生产厂商选配组合成对提交用户，安装后有预压过盈，套圈和钢球处于轴向预加载荷状态，因而提高了整组轴承作为单个支承刚度和旋转精度。

此外，角接触球轴承在负荷作用下，会自然形成接触角，可同时承受径向负荷和单向轴向负荷，承受负荷能力随接触角的大小而改变，接触角越大，承受轴向负荷能力也大，接触角分为15°、30°、40°。另外，增加了钢球粒数，以获得更好的轴承强度，同时将内圈或外圈的一个挡边加工成斜坡形式，分离式不要锁量，非分离式就要设计一定锁量，以确保不散套，这种轴承常用在高速运转场所。为了平衡轴向力，经常采用配对安装，故又有面对面、背对背及同方向三种形式，随着科技进步和轴承工作条件的不同，角接触球轴承具有多种结构形式。

二、轴承组件温度场仿真

以轴承组件为研究对象，用solidworks取其四分之一进行建模，采用solid70单元进行网格划分，采用8节点单元，且每个单元只有一个温度自由度，进行三维稳态、瞬态热分析。接触对选择con-tactl74单元和targetl70单元，并对接触面处进行网格细化。

在进行有限元仿真分析时，兼顾三类热边界条件，即在特定的环境温度下，同时考虑轴承组件的热流密度及对流换热条件。基于外滚道控制理论，利用Matlab编程，对轴承动态特性非线性方程组进行求解，以得到轴承组件各处的热载荷值。

三、试验部分

1、试验装置。试验装置由两部分组成：一是机械部分，包括轴承座、伺服电机、轴向加力器、电机底座和基板；二是测试部分，包括热电阻传感器、红外测温仪、压力传感器、色散共焦位移计、可编程逻辑控制器、伺服放大器、CHB数显表、温度显示仪及装有GX WORKS2软件和CCSMANAGER位移测试系统的计算机等。

2、试验条件。转速由伺服电机提供，轴向力通过两个双螺纹加力器来施加，轴承采用脂润滑。转速为0～2800r/min，轴向力为0～6kN。采用WZP-201热电阻传感器采集外圈温度，温度通过XMZ-102温度显示仪进行测量，使用时通过在轴承座上钻孔，使热电阻传感器测温头端部与轴承外圈贴合，通过红外测温仪测量内圈温度。采用STIL色散共焦位移计采集轴向热位移，通过CCS manager软件进行显示并记录。外圈温度取2点平均值，内圈温度取4点平均值。红外测温仪及热电阻传感器精度均为0.1℃，色散共焦位移计精度可达0.0l m，并配有调节支架保证光学笔与轴系的同轴度。因温度传感器及位移传感器均具有自动计数功能，待15min内温度变化值不超过0.1℃、热位移不超0.l m时，即为最终试验值。

四、试验结果

1、温度场分析。分析试验轴承在轴向力分别为2、4、6kN工况下内外圈、滚珠的试验及仿真稳态温度值与转速的关系，室温为17℃。由轴承内外圈、滚珠温度与轴承转速关系可知，在处于不同轴向力作用下转速对轴承内外圈及滚珠稳态温度的影响规律：低转速对温度影响较小，当转速大于800r/min时，对温度影响基本呈线性；当轴向力为4kN时，转速从800r/min依次增大400r/min，外圈温度依次增大1.8、1.9、1.8℃，内圈温度依次增大2、2.3、2.1℃。其理论解释为：在转速低时，轴承摩擦力矩小，整体发热量小；随转速升高，滚动体与滚道接触点的滚动分量及与内圈滚道接触点的自旋分量均增大，从而使滚动体的滚动、滑动摩擦力均增加，致使发热量增大，温度升高。

在温度上升过程中，滚珠温度最高，内圈次之，外圈温度最低。对此可解释为：滚珠热传递空间有限，散热条件差，其外表面被油脂所包裹，产生的大部分热量难以较快传递出去；轴承内圈滚道与滚珠接触处存在自旋摩擦，产生的热量多于外圈，且热量大多只能通过细长轴向外传输；轴承外圈的散热面积大于内圈，产生的热量大多传导给导热性能较好的轴承座，最终通过热对流和热辐射散发到空气中。

因此，仿真结果与试验结果最大偏差不超过2.5℃，普遍在1.5℃以内。误差原因可解释为：在对流换热系数计算时，部分参数取值范围较宽或参考其他文献；仿真时网格划分精度对结果有一定的影响；试验过程中环境温度波动也会影响试验值。整体来看，轴承组件仿真稳态温度与试验结果基本吻合，相对误差控制在7％以内，说明建立的进给系统角接触球轴承计算与仿真模型正确合理。

2、轴向热位移分析。轴承外圈固定在轴承座上，轴承座固定在工作台上，轴承内圈固定在轴上，因此以轴端热位移代替轴承轴向热位移。

当轴向力为2、4、6kN时，在同转速下，轴向力越大，热位移越大；在同轴向力下，随转速的增大，轴向热位移增大速度先快后慢。当轴向力为4kN时，转速从1200r/min增大到1600r/min，轴向热位移增大1.3 m；当转速从2000r/min增大到2400r/min时，轴向热位移增大0.9 m。其理论解释为：随转速的增加，轴承温度不断升高，热位移不断增大。根据Hertz接触理论，滚珠与内外圈滚道的接触应力不断增大，其弹性变形进一步增大，滚道接触椭圆面积进一步增大，对轴承轴向热位移起到一定的阻碍作用。

五、结论

通过对NSK 35TAC 72A型角接触球轴承组件进行热态仿真分析及试验，测试了稳态温度场及热位移场，验证了有限元模型的正确性，并得到以下结论。

1、轴承的发热功率受转速和轴向力影响明显，在相同轴向力下，轴承温度与转速基本呈线性关系。

2、在相同工况下，滚珠温度最高，内圈温度次之，外圈温度最低。轴向力及转速越大，温差越明显。

3、当轴承温升在10℃以下时，轴向热位移与温度基本呈线性关系，但随着温度的上升，热位移增大的幅度不断减小，其原因是随着轴向热位移的不断增大，轴承的弹性变形限制其轴向热位移。

参考文献：

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