卢黎明，秦豫江，方跃峰

（1.华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013；2. 浙江万里学院，宁波 315100）

基于ABAQUS的滚滑轴承温度场分析

卢黎明1，秦豫江1，方跃峰2

（1.华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013；2. 浙江万里学院，宁波 315100）

0 引言

滚动轴承的运行温升是体现轴承健康状况的众多因素中最具代表性的工作参数。温升反映了轴承载荷、转速和润滑共同参与作用下，内部摩擦、滚压、激振和碰撞等伴随产生的热效应影响的大小。轴承运转温度过高容易导致“抱轴”、熔化保持架、热切轴以及润滑油粘度降低而使轴承过早失效，情况严重将导致重大事故发生。滚动轴承的几种主要失效形式，如，磨损、塑性变形、胶合以及保持架损坏都会导致轴承温升异常。此外润滑油脂品种的选择、油位高低、游隙以及安装情况等都对轴承温升起到关键作用[1]。

为了解决滑动轴承启动时摩擦导致的发热量较大以及滚动轴承单个滚动体所受载荷较大等不利因素，滚滑轴承应运而生。滚滑轴承以其独特的结构设计和工作机制，让其启动容易，以及依靠楔形油膜承载并配合适当的油路设计来避免轴承运行过程中发热量过大。本文拟在滚滑轴承设计之初，对该轴承进行温度场有限元分析，探索其温度变化规律。

1 滚滑轴承的构造及工作原理

滚滑轴承由内、外圈、滚子和滑块组成，结构如图1所示。滚子和滑块的数目根据实际轴承尺寸和工作环境选择，交错分布于滚道圆周[2,3]。该轴承在工作中能让轴承如滚动轴承般快速启动，如滑动轴承般承受重载，兼具滚动轴承和动压滑动轴承的部分优点，能有效避免动压滑动轴承启动时产生的严重摩擦和大量摩擦热。

图1 滚滑轴承及螺旋弹性滚子的结构模型

为了分析滚滑轴承的温度场特性，分别用实心滚子、空心滚子和螺旋弹性滚子装入滚滑轴承中进行研究，前期仿真试验表明：螺旋弹性滚子与滚道静态接触性能较之普通实心滚子和空心滚子更优，装有该滚子的滚滑轴承在动力学性能方面优势也更显著。

2 滚滑轴承温度场分析模型

由于滚滑轴承的特殊结构及工作原理，滚子不与挡边发生接触且忽略滚子与滑块之间的摩擦发热，且滚子与滚道之间接触仿真没有考虑润滑的作用，所以滚子通过轴承腔中润滑剂而产生的摩擦热也不考虑。

2.1 热分析基础和滚子轴承摩擦发热、热量传递模型

2.1.1 热分析基础

用基于傅里叶定律的热传导方程对工程结构进行热分析，由物理学定律可知一般非线性热平衡矩阵方程为：

式中：t为时间；{T}为节点温度向量；[C]为比热矩阵；[K]为热传导矩阵；{Q}为节点热流向量。

2.1.2 滚子轴承摩擦发热模型

计算滚子与滚道接触的摩擦发热率Hnj，可采用将每个接触区域沿接触有效长度leff方向划分为k个窄条，每个窄条的面积为wn× 2bnjλ，下标λ代表窄条位置，则：

式中，Sk为辛普森积分系数，wn为窄条宽度，2bnjλ为窄条分段长度，τnjλ为窄条上的平均应力，vnjλ为窄条上的表面滑动速度。整个轴承的摩擦发热率为：

2.1.3 热量传递模型

实际轴承中，有三种基本的传热模式：固体内热传导，固液热对流，物质之间的热辐射。为简化模型，在此只考虑固体内热传导。

热传导Hc是一种简单的传热形式，它表示为固体中温度差的线性函数，即：

式中，S为垂直于两点间热流方向的导热面积，TΔ是温差，L是这两点间的距离。热导率ψ是材料及温度函数。对于固体来说，温度对热导率的影响一般不大，可忽略。对于轴承内、外圈，沿径向的热传导公式为：

式中，B为套圈的宽度，0TΔ为内外圈温差，Ro与Ri是有热流通过的套圈截面的内、外半径。

2.2 滚滑轴承几何尺寸

为了对比分析滚滑轴承分别使用三种滚子（实心滚子、空心滚子和螺旋弹性圆柱滚子）的温度场动态分布特性，同时考虑到滚滑轴承是一种应用于铁路重型货车上的新型轴承，故参照现阶段铁路货车主型轴承结构并结合螺旋弹性滚子的特点给出分析所用滚滑轴承的尺寸参数如表1所示。

表1 滚滑轴承参数

螺旋弹性滚子（如图1所示）的旋绕比为3[4]，空心度与空心滚子相同均为50%，滚子与滑块为9个。本文所分析的螺旋弹性滚子其材料截面是矩形。旋绕比C是弹簧的一种结构指数,若令螺旋弹性滚子中径为D，滚子矩形截面材料垂直于螺旋弹性滚子轴线的边长为a，则C=D/a，如图2所示。参照弹簧标准GB/T 1239.2—2009旋绕比范围是3～8，本文取旋绕比C=3，结合该滚子空心度计算后得出滚子壁厚为6.25mm。

图2 螺旋弹性滚子旋绕比示意图

2.3 材料选择、网格划分与接触设置

滚子及内、外圈均假设为弹性材料。实际制造时，圆柱滚子、空心圆柱滚子、滑块和内外圈采用GC15高碳铬轴承钢、螺旋弹性滚子采用50CrNiA中碳合金钢。密度为7800kg/m3,弹性模量为207GPa，泊松比为0.3，热导率40W/m.K，热膨胀系数11.5×10-6℃-1，比热460J/kg.K[5,6]。按一般性原则选取轴承的散热系数为80W/m2.℃。轴承各零件均采用显式3D实体六面体单元C3D8RT。为减少计算代价，螺旋弹性滚子端部需做简化处理，并将轴承内、外圈挡边、滑块以及轴定义为刚体，对于主要接触部件均划分为细密的网格，而刚体部件划分为能大致显示其轮廓的网格。

滚滑轴承实际工作时应充分润滑，但因本文只是分析滚子，不涉及滑块分析，故在此不作含润滑剂的弹流润滑仿真分析。应用ABAQUS/General：Dynamic，Temp-disp，Explicit动态温度-位移显示分析的General Contact通用接触算法将零件间可能发生的接触都考虑在内，接触面间热传导率为40W/m.K。因螺旋弹性滚子在滚动过程中有可能会发生自身相邻螺旋圈的接触，故对其自身的接触作了特别设置，即需要将隐藏在各螺旋圈之间的表面设置自接触，以避免发生网格侵入现象。

2.4 载荷及边界条件的设置

全模型施加重力加速度，环境温度为20℃，滚滑轴承仿真计算模型见图3。将轴的外圆柱表面与轴承内圈内表面进行绑定，外圈外表面上部与控制点耦合。在分析步Step-1中，轴控制点保持固定；对外圈外表面控制点施加约束，让其只能沿y（如图3所示）方向运动，并在该点上平稳施加一个大小为 1.5×105N。在分析步Step-2中，对轴控制点平稳施加绕z轴（如图3所示）的角速度132rad/s。

图3 滚滑轴承仿真计算模型

3 有限元仿真及结果比较

3.1 轴承温度-时间曲线比较

相同条件下，装有三种类型滚子的滚滑轴承的温度-时间曲线如图4所示。实心圆柱滚子型温升15℃的时间约为0.1255s，空心圆柱滚子型温升15℃的时间约为0.251s，螺旋弹性滚子型温升15℃的时间约为0.6255s。由图4可知，实心圆柱滚子型在滚滑轴承内圈转动约0.1s后温度骤然上升。空心圆柱滚子型在滚滑轴承内圈转动后的前0.16s温度缓慢升高至27.13℃（温升7.13℃），此后在0.16s-0.25s的时间段内，温度一直徘徊在33℃（温升13℃）左右，随后温度又有急剧攀升的趋势。螺旋弹性滚子型在内圈转动后的0.6255s时间内温度稳步缓慢的升至35℃（温升15℃）左右。

图4 轴承温度-时间曲线

图5是滚子及接触区域在内圈转动0.26s时的温度场分布图，可知此时螺旋弹性滚子最大温度为29.13℃，空心圆柱滚子最大温度为39.92℃，实心圆柱滚子最大温度为63.21℃，实心滚子发热量最大区域主要在端部，螺旋弹性滚子在靠近端部区域发热量比其他接触区域稍大，但基本分布均匀，空心滚子发热量及分布介于上述两滚子之间。

图5 滚子及接触区域温度场分布

3.2 单个滚子温度-时间变化比较

图6为在滚滑轴承中处于同一位置的三种类型滚子温度在开始转动后0.26s内的变化曲线。可以看出，实心圆柱滚子和空心圆柱滚子在内圈转动0.12s后温度都有不同程度加速上升的趋势，螺旋弹性上升幅度则十分缓慢。在对螺旋弹性滚子的温度变化随时间变化的分析中发现(如图7所示)，各个温度上升段的时间间隔在0.11s左右，这与滚子公转周期大致相同，这说明螺旋弹性滚子在公转过程中，在一段相同的周向范围温度会持续上升，随后温度略有降低，周而复始。图8为螺旋弹性滚子温度峰值所对应的时间及周向位置。

图6 滚子温度-时间曲线

图7 螺旋弹性滚子温度-时间曲线

图8 螺旋弹性滚子各时段温度峰值及周向位置

4 结论

1）装有实心圆柱滚子的滚滑轴承温升最快，滚子发热量最大且集中在滚子端部接触区域，螺旋弹性滚子温升最慢，滚子发热量最低且在接触区域分布均匀，空心圆柱滚子则介于上述两滚子之间。

2）三种类型滚滑轴承处于相同位置的单个滚子，实心和空心圆柱滚子温度都是不同程度的无规律的加速上升，螺旋弹性滚子则有周期性温升表现，且温升幅度较低。

[1]杨国安.滚动轴承故障诊断使用技术[M].北京:中国石化出版社,2012:18-37.

[2]卢黎明.滚滑轴承螺旋空心滚子受力变形的理论研究[J].轴承,2013(4):10-12.

[3]卢黎明.循环载荷冲击下滚滑轴承的振动特性[J].机械工程学报,2013,49(5):39-46.

[4]张英会.弹簧手册[M].第2版.北京:机械工业出版社,2008:311-312.

[5]徐淑琴,吴润娇.基于ANSYS的压铸模具温度场模拟研究[J].制造业自动化,2010,32(2):110-114.

[6]李毅.基于ABAQUS的过盈配合有限元数值仿真[J].制造业自动化,2012,34(8):148-150.

Temperature field FEM of rolling-sliding compound bearing based on ABAQUS

LU Li-ming1，QIN Yu-jiang1，FANG Yue-feng2

滚滑轴承是一种用于承受重载冲击载荷的新型轴承，它由内、外圈以及交错分布于滚道的滚子和滑块组成。为了分析滚滑轴承运行过程中的温度场分布，运用有限元软件ABAQUS分别对装有螺旋弹性滚子、空心滚子和实心滚子的滚滑轴承在无润滑情况下进行温度场仿真。结合有限元仿真动画、温度场分布云图及相关历程数据，对轴承温度和单个滚子温度变化规律进行分析。得出装有螺旋弹性滚子的滚滑轴承具有温升较低和温度场分布均匀的结论。

滚滑轴承；螺旋弹性滚子；温度场；ABAQUS

卢黎明（1963 -），男，江西高安人，教授，博士，研究方向为轴承摩擦学。

TH132

A

1009-0134(2014)05(下)-0087-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).24

2014-02-19

国家自然科学基金资助项目：重载循环冲击下新型滚滑轴承的机制及摩擦润滑设计基础研究（51065009）；浙江省公益性技术应用研究资助项目：重载循环冲击下新型滚滑轴承的结构及摩擦润滑设计机制研究（2013C31080）