基于熱網(wǎng)絡(luò)法的列車軸箱軸承熱分析基于熱網(wǎng)絡(luò)法的列車軸箱軸承熱分析Thermal Analysis of Axle Box Bearing Based on Thermal Network Method吳偉余志壯同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,上海201804)摘要:分析了圓錐滾子軸承的摩擦熱來源,在此基礎(chǔ)上以脂潤滑下的cRH3列車用軸箱圓錐滾子軸承單元130/240-B-TVP為研究對象,通過熱網(wǎng)絡(luò)法建立圓錐滾子軸承的熱節(jié)點(diǎn)的平衡方程組,采用牛頓-拉夫遜迭代法求解進(jìn)行熱分析,研究了各熱節(jié)點(diǎn)隨著徑向載荷和運(yùn)行速度的變化趨勢,并得出了圓錐滾子軸承在工作過程中溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別出現(xiàn)在滾子與軸承內(nèi)圈接觸處和主軸上關(guān)鍵詞:熱網(wǎng)絡(luò)法圓錐滾子軸承熱分析DOI:10.1641l3/ j. cnkiissn.1007-080x.2015.03.017Abstract: Analysis with the thermal sources theory for tapered rolling bearing, taking the bearing 130/240-BTVP lubricated by grease as research object. The balance equations of hot nodes are established by thermal network ofthe tapered roller bearing, analyze the trends of each heat node with varied radial loads and speeds by Newton- Raphson iterative method, and reach the conclusion that the peak temperature and valley temperature appear on the innerKey words: thermal network method tapered rolling bearing thermal analysis0引言率損失及熱量在各元件之間的分配進(jìn)行,熱平衡方列車軸箱軸承常常在高速工況下工作,若軸承程組根據(jù) Kirchhoff定律建立,用牛頓-拉夫遜迭代內(nèi)的摩擦熱及高溫環(huán)境傳入軸承的熱量不能及時(shí)地法③進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解。本文在圓錐滾子軸承分析散發(fā),滾動軸承將可能因熱膨脹失去工作間隙而發(fā)的基礎(chǔ)上,對其溫度場隨徑向載荷和運(yùn)行速度的變生“抱軸”現(xiàn)象,保持架材料可能因高溫而熔化,軸承化趨勢進(jìn)行分析,找出了各節(jié)點(diǎn)溫度分布的最高點(diǎn)滾道及滾動體表面可能因損傷而過早報(bào)廢。軸承與最低點(diǎn)。的許多種失效形式皆因“熱”導(dǎo)致。找出軸承的溫度1滾動軸承摩擦熱源分布,預(yù)測出某一工況下軸承所處的溫度場、哪些零熱源計(jì)算是研究溫度場的基礎(chǔ)。根據(jù) Palmgren部件是溫度較高易于失效的危險(xiǎn)部件,就可以有的推導(dǎo)的公式,軸承的摩擦力矩主要有兩部分:潤滑劑放矢地對設(shè)計(jì)方案、工藝流程或結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行改進(jìn),以提高新產(chǎn)品的壽命和可靠性2]。軸承熱分析研究黏性產(chǎn)生的摩擦力矩M。和與速度無關(guān)的載荷作用產(chǎn)生的摩擦力矩M1。內(nèi)容主要包括軸承熱源計(jì)算、熱網(wǎng)絡(luò)圖繪制、熱平衡方程組的建立與求解。軸承發(fā)熱量通過計(jì)算軸承功、中國煤化工CNMHG*作者簡介:吳偉1987年生,碩士研究生。研究方向?yàn)檩S承潤滑與溫度場分礦于。余志壯1963年生,博士,副教授。主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)與軸承摩擦潤滑、先進(jìn)制造等。76機(jī)電一體化12015.03Application· Communication應(yīng)用交流M,=f1P1dn。dh式中,f6為與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的系數(shù);v為工pcvx,=q,(i=1,2,…,n)。作溫度下潤滑劑的運(yùn)動黏度,mn/;n為主軸轉(zhuǎn)速,式中,為密度;e為比熱容;為體積業(yè)為溫度對時(shí)r/min;d為軸承節(jié)圓,mmf為與軸承類型和所受載荷有關(guān)的系數(shù);P為確定軸承摩擦力矩的計(jì)算載荷,間的導(dǎo)數(shù)。N;Ma、M1為摩擦力矩,N·mm求解這一微分方程組可獲得系統(tǒng)的瞬態(tài)溫度場。滾動軸承接觸區(qū)熱生產(chǎn)還與滾動體和套圈的自熱網(wǎng)絡(luò)法的節(jié)點(diǎn)位置的布局、網(wǎng)絡(luò)的疏密程度完全由旋有關(guān)。根據(jù)高速下軸承套圈溝道理論,滾動體和研究者根據(jù)實(shí)際需要來靈活掌握因而用起來很方便。內(nèi)套圈存在自旋自旋摩擦力矩為M=3Q8。3圓錐滾子軸承溫度場模型建立及分析式中,μ為滾動體與溝道的摩擦系數(shù);Q為滾動體與本文以脂潤滑下的CRH3列車用軸箱圓錐滾子溝道的法向接觸載荷,N;a為赫茲接觸橢圓長半軸,軸承單元130240-B-TVP為研究對象B表示帶潤m;e為第二類橢圓積分。因此,軸承的摩擦熱可計(jì)滑脂和密封,TvP表示塑鋼保持架,見圖1。外形尺寸算得為dDB=130mm×240mm×160mm。軸承發(fā)熱量主要2嚇n(M。+M1)+M,on由軸承元件相互運(yùn)動產(chǎn)生,首先需分析其內(nèi)部的運(yùn)動及受力關(guān)系。所建立的承載模型見圖2式中,n為主軸轉(zhuǎn)速,r/min;a,為滾動體內(nèi)圈自旋運(yùn)動的角速度,rad/s。2熱網(wǎng)絡(luò)法的理論基礎(chǔ)目前,軸承熱分析主要包括有限元法、熱網(wǎng)絡(luò)法和實(shí)驗(yàn)法。熱網(wǎng)絡(luò)法是緊跟現(xiàn)代電子學(xué)發(fā)展的,它的分析方法基本上效法電系統(tǒng),其網(wǎng)絡(luò)理論可認(rèn)為是電子學(xué)和電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)樵谝磺泻形锪髋c能流的動態(tài)系統(tǒng)中,不論該系統(tǒng)中是否有電的存在都可找到電系統(tǒng)中的電阻、電容和電感等概念的對應(yīng)物,電阻對應(yīng)各種阻力和對能量的消耗與節(jié)流,電容對應(yīng)各種形式的儲存能量,電感對應(yīng)各種慣性儲存能圖1 TAROL雙列圓錐滾子軸承外觀量。熱網(wǎng)絡(luò)法一般用于滾動軸承工作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度場分析。把研究對象細(xì)分成單元節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間有熱量傳遞,無論是以何種方式換熱,節(jié)點(diǎn)之間都用熱阻R代替。一個(gè)熱節(jié)點(diǎn)就代表系統(tǒng)中相應(yīng)某一零件或流體介質(zhì)(如潤滑劑、空氣)中某一點(diǎn)或某表面或某一體積上的溫度。相關(guān)節(jié)點(diǎn)之間以不同方式的熱阻相互聯(lián)系形成熱網(wǎng)6。根據(jù) Kirch定律,在穩(wěn)態(tài)溫度場分析中,對于任一熱節(jié)點(diǎn),流入該節(jié)點(diǎn)的熱流應(yīng)當(dāng)?shù)扔诹鞒鲈摴?jié)點(diǎn)的熱流,由此建立系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)熱平衡方程組q=q,(H1,H2,…,Hn)(i=1,2,n),最后通過求解該熱平衡方程組即可求出系統(tǒng)中國煤化工的穩(wěn)態(tài)溫度場。在瞬態(tài)溫度場分析中,對于任一熱節(jié)CNMH點(diǎn)i,流入該節(jié)點(diǎn)的熱流q應(yīng)符合關(guān)系式圖2 TAROL雙列圓錐滾子軸承簡化圖及所求各點(diǎn)分布2015.03|機(jī)電一體化7基于熱網(wǎng)絡(luò)法的列車軸箱軸承熱分析圓錐滾子軸承130/240-B-TVP部分尺寸如表摩擦熱在軸承滾動體和套圈之間作1:1的分布,即所摩擦熱有一半進(jìn)入滾動體4,另一半則進(jìn)入套圈3和表1圓錐滾子軸承部分尺寸套圈5。參數(shù)數(shù)值內(nèi)徑/mm寬度/mm外徑/mm2408滾子節(jié)圓直徑/mm接觸角/°滾子有效長度/mm滾子平均直徑/mmR1單列滾子數(shù)圖3圓錐滾子軸承熱網(wǎng)絡(luò)圖軸向游隙/mm0.59~0.634熱網(wǎng)絡(luò)方程組的建立及求解根據(jù)圖3,基于 Kirchhoff定律可列出的熱傳遞方熱節(jié)點(diǎn)符號及其所代表的位置溫度見表2。程組為表2熱節(jié)點(diǎn)符號及其所代表的位置溫度(H3-H2)/R3a2-(H2-H6)/R2=0熱節(jié)點(diǎn)符號代表的位置溫度(H2-H0)/R20-(H-H)/Ros=0;(H3-H6)/R36-(H6-H,)/R6n=0H主軸溫度(H6-H,)/R6n-(H,-H3)/R,s=0;潤滑脂溫度軸承內(nèi)圈溫度2C-(H,-2)R2-(H,-H,)R滾子與軸承內(nèi)圈接觸處溫度2C4+2C。+(H,-bB4)R3s-(H4-3)/R滾子溫度(H4-H1)/R4=0;滾子與軸承外圈接觸處溫度C。+(H4-H5)/R4s-(H5-H6)/R56-H軸承外圈溫度(H5-H1)/R5n=0軸承座溫度現(xiàn)代高速列車正常運(yùn)行速度為270km/h~320km/hH軸箱內(nèi)溫度對應(yīng)的圓錐滾子軸承的轉(zhuǎn)速約為n=2500r/min2800r/min,軸向外載荷F,=25kN,徑向外載荷F,=根據(jù)圖2和以上列出的熱阻法則,可以將軸承內(nèi)60~80kN,查表可得軸承鋼材料密度為781×103kg/部熱量的傳遞關(guān)系表達(dá)為如圖3所示的熱網(wǎng)絡(luò)圖。m3,彈性模量約為2.06×103GPa,比熱容為460kJ/圖3中用數(shù)字0~8表小各熱節(jié)點(diǎn)編號;C1和C分別(kg·℃),熱傳導(dǎo)系數(shù)為45W/(m·K)。將計(jì)算得到表示圓錐滾子軸承內(nèi)圈和外圈的發(fā)熱量;R4和R分的熱阻、生別表示節(jié)點(diǎn)間的熱對流換熱熱阻和熱傳導(dǎo)熱阻;箭頭錐滾子軸承中國煤化工方程組,可得出圓1、CNMHG點(diǎn)所代表的位置表示熱量流向。根據(jù) Burton和 Steph提出的觀點(diǎn),將處的穩(wěn)態(tài)溫度。78機(jī)電一體化12015.03Application· Communication用·交流4.1徑向載荷對熱節(jié)點(diǎn)溫度的影響n=2 500r/min徑向載荷對熱點(diǎn)溫度的影響(轉(zhuǎn)速n=2600r/n=2 600r/minmin時(shí))見圖4。n=2 700r/minv n=2 800r/minOkNy F=75kN●F=80kN女證擔(dān)熱節(jié)點(diǎn)(F=70N時(shí))圖5轉(zhuǎn)速F,=70kN時(shí)各熱節(jié)點(diǎn)的溫度值熱節(jié)點(diǎn)(n=2600mn時(shí))參考文獻(xiàn)圖4轉(zhuǎn)速n=2600r/min時(shí)不同徑向載荷下各熱節(jié)點(diǎn)溫度值11劉志全,張永紅,蘇華.高速滾動軸承熱分析[J.潤滑與密封,1998(4):66-684.2運(yùn)行速度對熱節(jié)點(diǎn)溫度的影響運(yùn)行轉(zhuǎn)速對熱節(jié)點(diǎn)溫度的影響(徑向負(fù)荷F2]徐建寧,滾動軸承的溫度場和熱變形分析[J],軸承,2006(5):1-3.70N時(shí))見圖5。3]張立紅牛頓-拉夫遜選代法在非線性電阻電路計(jì)算中結(jié)束語的應(yīng)用[J].山東工程學(xué)院學(xué)報(bào),1996,10(4):46-50分析計(jì)算了在工作過程中徑向載荷和運(yùn)行速度[4]萬長森.滾動軸承的分析方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出對軸承各熱節(jié)點(diǎn)溫度的影響情況。圖4和圖5結(jié)果版社,1987共同表明隨著徑向載荷和運(yùn)行速度的增大,軸承溫度5]程偉良,李艷秋,夏國棟,等,網(wǎng)絡(luò)熱力學(xué)一熱力學(xué)發(fā)隨之上升;滾子與內(nèi)圈接觸處H2和內(nèi)圈H4溫升變化展的一個(gè)新邏輯階段[冂].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38最顯著,運(yùn)行速度對軸承溫升的影響更大。溫度最高(5):548-550值出現(xiàn)在H3,即滾子與軸承內(nèi)圈接觸處,因?yàn)閳A錐滾[6 PEUSNER L. Studies in network thermodynamic [MAmsterdam: Elsevier, 1986子軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速最高,與滾子摩擦產(chǎn)生的熱量最[7]黃東洋.熱阻網(wǎng)絡(luò)法在軸系溫度場求解中的應(yīng)用[多;溫度最低值出現(xiàn)在主軸H。上,因?yàn)橹鬏S有良好的西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(5):63-66.熱對流和熱傳導(dǎo)條件。良好的傳熱條件可以避免圓[8]何曉亮,熊萬里,黃紅武,高速精密主軸軸承熱特性的錐滾子軸承過熱甚至“抱軸”現(xiàn)象的發(fā)生。計(jì)算及分析[J].機(jī)械,2003,30(6):14-16的,,,,,,,,,,,,美國邦納推出最新PLC以及兩款安全控制器2015年4月21日至23日,第二十五屆中國國際電子生產(chǎn)設(shè)程邏輯控制器。相比BSP第一代產(chǎn)品,BSP02具有更快的執(zhí)行備暨微電子工業(yè)展( NEPCON China2015)將在上海世博展覽館速度、更多應(yīng)用指令、更大的LO擴(kuò)展,并支持直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)號館舉行。展會涵蓋SMT表面貼裝技術(shù)、表面焊接技術(shù)、電子測量功能,其計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)寄存器數(shù)量是BsP的2倍,脈沖輸出數(shù)量測試、電子制造自動化、防靜電以及新材料等相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品?？傄嗍荁sP01的2倍,高速計(jì)數(shù)器頻率可達(dá)200kHz。該P(yáng)LC還支持部位于美國明尼蘇達(dá)州的全球頂尖自動化技術(shù)專家和整體解決方更多通信接口案提供者的美國邦納公司,具有最為齊全的產(chǎn)品線,包括光電傳感用在包裝機(jī)械器、測量與檢測產(chǎn)品、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、視覺傳感器等產(chǎn)品。是美國邦納發(fā)HH中國煤化工太網(wǎng)等?？梢詮V泛應(yīng)領(lǐng)域。另外,SC26-2CNMHG代安全控制器產(chǎn)美國邦納近期隆重推出新一代高速、高性能BSP02系列可編品,具有更高性價(jià)比、更小的安裝尺寸,并增加了布爾邏輯功能。2015.03|機(jī)電一體化79