高速运转下角接触球轴承温升特性数值模拟与试验分析

摘要

角接触球轴承的温升特性主要与实际工况条件和轴承本身结构参数等因素有关，而轴承的温升决定着轴承的性能、寿命，直接关系到主机的工作可靠性。在高速运转下，角接触球轴承内部由于各零件间的剧烈摩擦发热，引起轴承的温度上升，甚至造成轴承过早的疲劳失效、咬死和粘合，进而造成设备停机。因此，研究高速运转下角接触球轴承的温升特性具有重要的工程应用价值。　　本文以角接触球轴承为研究对象，在分析角接触球轴承温升影响因素的基础上，基于滚动轴承的拟动力学，建立了角接触球轴承的生热模型，对轴承的生热机理进行了分析。针对高速角接触球轴承采用局部法分别对轴承的自旋生热、拖动润滑油生热、钢球与套圈的差动滑动生热、钢球与保持架摩擦生热和保持架与套圈引导面摩擦生热等进行了计算。结果表明，轴承自旋生热所占比重最大，保持架与套圈引导面摩擦生热所占比重最小；轴承的自旋生热随转速或轴向负荷的增加而明显增大；随着轴承转速、轴向负荷的变化其它热源引发的生热变化不明显。　　建立双半内圈角接触球轴承的三维模型，将轴承生热的计算结果作为数值模拟的热载荷，利用有限元法对高速角接触球轴承的温升特性进行数值模拟，得到不同转速、载荷和接触角条件影响下轴承的温度分布云图。结果表明，轴承的温度沿着钢球与内圈滚道接触点向外逐渐降低，最高温度分布在钢球与内圈滚道接触点处，最低温度分布在轴承外圈外侧面；随着转速增大轴承的整体温度逐渐升高；轴承整体温度随轴向负荷的增加而升高；径向负荷对轴承温度影响不明显。　　利用本课题组所研发的双转子角接触球轴承试验机进行轴承的温升试验研究。采用红外温度传感器对不同转速、载荷工况下轴承的温度进行非接触测量。试验结果表明，转速、轴向力和径向力的变化都会引起轴承的温升变化，其中转速和轴向力的变化对轴承温升的影响最显著，径向力的改变对轴承温升影响不明显。对比试验测量与数值模拟的温度结果，验证了数值模拟方法的合理性，并分析了不同工况下双半内圈角接触球轴承的温升机理。

目录

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符号表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滚动轴承温升特性仿真研究现状

1.2.2 滚动轴承温升试验研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 角接触球轴承温升影响因素分析

2.1 轴承结构

2.1.1 滚动体的形状与数量

2.1.2 保持架的形状

2.1.3 轴承套圈的结构

2.2 转速和载荷

2.3 润滑

2.4 本章小结

第3章 角接触球轴承传热及生热计算

3.1 角接触球轴承的基本结构

3.1.1 角接触球轴承的基本参数

3.1.2 双半内圈球轴承的结构特点

3.2 角接触球轴承摩擦生热理论

3.2.1 摩擦热的传导

3.2.2 导热问题边界条件

3.2.3 热传递方式

3.3 角接触球轴承生热模型

3.3.1 轴承的摩擦功耗分析

3.3.2 轴承功耗计算

3.4 轴承的生热计算

3.4.1 转速对轴承生热的影响

3.4.2 轴向载荷对轴承生热的影响

3.4.3 径向载荷对轴承生热的影响

3.5 本章小结

第4章 角接触球轴承温度分布数值模拟

4.1 角接触球轴承数值模拟模型建立

4.2 角接触球轴承温度的有限元分析

4.2.1 轴承材料

4.2.2 网格划分

4.2.3 边界条件的加载及结果后处理

4.3 转速对轴承温度的影响

4.4 载荷对轴承温度的影响

4.4.1 轴向载荷对轴承温度的影响

4.4.2 径向载荷对轴承温度的影响

4.5 接触角对轴承温度的影响

4.6 本章小结

第5章 高速角接触球轴承温升试验研究

5.1 角接触球轴承的试验装置

5.1.1 轴承试验机结构

5.1.2 轴承温度测点布置

5.1.3 试验轴承的润滑条件

5.2 角接触球轴承温度测量试验

5.2.1 红外温度传感器

5.2.2 轴承温度测量试验方案

5.3 轴承温升试验结果与分析

5.3.1 不同转速下轴承的温升试验

5.3.2 不同轴向载荷下轴承的温升试验

5.3.3 不同径向载荷下轴承的温升试验

5.4 轴承温度的数值模拟结果与试验结果对比分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果