贾晓沛，杜文韬



高速动车组转向架轴承温度场分析

贾晓沛1，杜文韬2

（1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031；2.南京中车浦镇工业物流有限公司，江苏 南京 210031）

对CRH2G型动车组拖车SKTB-200型转向架轴箱装置圆柱滚子轴承进行温度场分析，利用热网络法建立圆柱滚子轴承热网络模型，并在理论上计算得出圆柱滚子轴承温度微观稳态的最高值，再利用ANSYS进行热分析，对圆柱滚子轴承整体温度场建立三维模拟仿真，得出基于动力学的圆柱滚子轴承温度场宏观分布情况，从而判断温度对车辆圆柱滚子轴承的影响。

SKTB-200型转向架；轴箱轴承；热网格法；温度场分析

在CRH2G型高速动车组SKTB-200型转向架轴箱轴承的实际工作中，轴承内部零件之间的摩擦是导致轴承内部产生大量热量的主要原因。为了延长车辆轴承的寿命和保证列车运营的安全性，研究轴承温度场分布对高速列车转向架整体稳定性有重要的实际指导意义[1]。

1 热网络法计算轴承温度

1.1 轴承发热量的计算

轴承内部聚集的热量主要是由轴承内部零件间相对滑动产生的摩擦导致的。轴承内部元件间的滚动摩擦、滑动摩擦及其他各种摩擦对轴承正常旋转产生的阻力矩称为轴承的总摩擦力矩，轴承的摩擦力矩是轴承发热的主要因素[2]。

Palmgren用公式（1）描述摩擦力矩：

式（1）中：1为与轴承载荷有关的摩擦力矩；1为轴承型号和载荷有关的系数；1为轴承载荷，N；m为轴承平均直径，mm。

对于中速运转的轴承，利用Palmgren建立经验公式：

式（2）中：0为运动粘度，mm2/s；0为与轴承负荷无关的摩擦力矩；0为与轴承类型与润滑有关的系数；为轴承转速，r/min。

在中等载荷和中等转速条件下，滚动轴承摩擦力矩为：

=1+0. （3）

式（3）中：为轴承中的总摩擦力矩用表示。由于1与0是基于经验公式的，所以也包括了滚动体在保持架兜孔中的滑动的影响[3]。

滚动轴承中的摩擦力矩与轴承的摩擦功耗关系密切，发热量与摩擦力矩的关系为：

=1.047×104. （4）

1.2 对流换热系数的计算

1984年Harris提出圆柱滚子轴承对流换热系数为：

式（5）中：为雷诺数；为普朗特数；为导热系数，w/（m·℃）；m为轴承平均直径，m。

轴承座外表面与空气之间的对流换热系数的计算如下：

式（6）中：α为轴承座外壳外面的环境温度；α为空气导热系数；为气流流速；α为外壳直径；α为空气运动粘度。

当内圆筒（比如内圈）旋转时，的计算公式为：

流体空气与轴承座圆柱表面之间的自然对流换热系数的计算公式为：

式（8）中：f为流体的导热系数；h为轴承座圆柱表面直径；r和r为葛拉晓夫准则和普朗特准则。

1.3 圆柱滚子轴承温度场分析

圆柱滚子轴承内部热量的产生与热量的传递可进行以下简化：只研究一个滚子产生于热量的传递的过程，忽略润滑脂的影响。滚子轴承的热节点布置如图1所示，其热节点如表1所示。

图1 圆柱滚子轴承简化图

表1 热节点符号及其所代表的位置温度

节点编号节点名称 1轴段温度节点 2轴承内圈与轴接触处温度节点 3轴承内圈与滚子接触处温度节点 4滚子温度节点 5轴承外圈与滚子接触处温度节点 6轴承外圈与轴承座接触温度节点 7轴承座温度节点 A轴箱箱体内平均温度 O润滑脂平均温度

根据图1建立的轴承热网络图如图2所示。图2中，和分别为内、外圈滚道的摩擦热，箭头表示热流方向；为热阻，下标中的字母和分别为传导和对流，下标数字表示节点号。

图2 圆柱滚子轴承热网络图

导热热阻分为平面和圆柱面两种情况。

平面：

圆柱面：

式（9）（10）中：为轴向长度；为导热系数；为壁面面积；1和2为圆柱内外壁直径。

同理，对于对流换热热阻也可以分为平面对流和圆柱面对流两种情况。

平面：

圆柱面：

根据式（12）可求得图2中不同的热阻值，式（10）需考虑热传导的方向性[4]，轴承钢的导热系数=40 w/（m·℃），轴的导热系数s=40 w/（m·℃），轴承座的导热系数h=152 w/（m·℃）。根据热网络图，建立圆柱滚子轴承的热平衡方程为：

由此可知，0=60 ℃，A=40 ℃，并求解热平衡方程可得圆柱滚子轴承各个节点位置的稳态温度，如表2所示。

表2 热网络法计算轴承稳态温度分布结果

热节点符温度值/℃热节点符号温度值/℃ T142.730 2T669.025 3 T279.700 3T768.973 9 T379.983 2To60 T476.038 5TA40 T569.649 5

从计算结果可以看出，温度的最高值出现在滚子与轴承内圈接触处，计算得到的温度值约为80 ℃；温度的最低值出现在轴承座上，计算得到温度值约为43 ℃。

2 基于ANSYS轴承温度场分析

2.1 摩擦热流量的计算

运用局部法得到滚动轴承各部件由外载荷引起的摩擦热量计算式：

=s. （13）

式（13）中：为摩擦热流量，w/m2；为摩擦系数；为接触载荷，N/m2；s为相对滑动速度，m/s。

分析得到的滚子分别与内、外圈的摩擦热流量如表3所示。1和2分别为滚子与内、外圈的摩擦热流量。由表3可知，随着载荷的增加，摩擦系数呈减小趋势，当发生塑性变形时，摩擦系数与载荷无关呈稳定状态。

表3 内、外圈摩擦热流量

0°24°48° P/（N/m2）3.461 4×1082.585×1092.184 7×109 μ10.050.050.05 v1/（m/s）0.006 160.006 160.006 16 q1/（w/m2）1 066 111.2796 180627 887.6 μ20.060.060.06 v2/（m/s）0.008 850.008 850.008 85 q2/（w/m2）612 667.8457 545386 691.9

2.2 运用Workbench分析轴承温度场

运用Workbench分析圆柱滚子轴承的温度场，运用软件对轴承的分析步骤如下。

2.2.1 对材料进行定义

设置轴承钢GCr15的导热系数为40 w/（m·℃）。

2.2.2 导入模型

在分析之前，对轴承内、外滚道添加印记表面，如图3所示。

图3 圆柱滚子轴承几何模型

2.2.3 施加热载荷

圆柱滚子轴承的热载荷如图4所示。

图4 圆柱滚子轴承的热载荷

2.3 轴承温度场的结果与分析

经ANSYS仿真计算后，得到动力学仿真的轴承温度场，如图 5 所示。

图5 圆柱滚子轴承温度场

通过以上仿真分析可知：①沿径向方向最下端的滚子温度最高，两边的滚子温度依次降低。②通过ANSYS Workbench得到的温度场最高温出现在内滚道上。③通过以上分析可知，最高温出现在轴承内滚道处，且受力最大的滚子温度最高。因此，摩擦热流量对温度分布有很重要的影响。④对流换热系数越大，散热越好，因此，轴承部件温升越低。

3 结论

本文将轴承的简化模型导入到ANSYS Workbench中，分别求得摩擦热流量，将摩擦热流量与对流换热系数施加到有限元模型，得到基于动力学的温度场云图，并对其进行比较。基于动力学得到的接触应力考虑到载荷冲击以及摩擦力的影响，且摩擦系数也考虑到载荷的影响，因此，基于动力学的轴承温度场符合轴承实际工作的情况。

结合理论计算和仿真计算对比，验证了仿真计算的可靠性，对今后高速列车转向架子轴承温度的分析提供了很大的帮助。

［1］陆凤仪，钟守炎.机械设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］臧磊.渐开线直齿圆柱齿轮摩擦动力学研究［D］.大连：大连交通大学，2012.

［3］罗继伟，马伟.滚动轴承分析：轴承技术的基本概念［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［4］高耀东，李震.ANSYS Workbench机械工程应用精华30例［M］.北京：电子工业出版社，2013.

〔编辑：张思楠〕

2095－6835（2018）19－0104－03

U266.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.104

贾晓沛，男，山东莱芜人，助理工程师，2015年毕业于大连交通大学，硕士研究生，研究方向为轨道交通车辆工程。