基于ansys的高速精密角接触球轴承传热机理分析与研究

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1、2009年全国技工教育和职业培训优秀教研成果评选活动参评论文　　　　　　　　　　　　　　　　　高速精密角接触球轴承传热机理分析高速精密角接触球轴承传热机理分析摘要：以B7005精密角接触球轴承为例，分析了轴承的温度分布；在确定合理的边界条件下，利用ANSYS分析软件对轴承摩擦发热及传热机理进行分析和仿真，得到轴承摩擦热在轴承内部的传递和温度场分布情况，为进一步研究轴承摩擦热对高速转轴的速度性能等的影响提供理论参考，以提高轴承的寿命和可靠性。关键词：精密角接触球轴承，传热，热阻抗，温度场精密角接触

2、球轴承属于点接触支承，在承载和高速转动时，接触应力很大，摩擦发热是高速主轴的主要热源之一。转速越高，摩擦热也越大。高的摩擦热对轴承使用寿命和精度性能产生重要影响。稳定状态下，轴承的发热通过轴承结构进行传递，形成温度场，从温度场可以看出结构传热的主要途径和传热效率，为改善结构的热特性具有重要的理论和实际价值。本项目以B7005精密角接触球轴承为例，分析了轴承的温度分布；在确定合理的边界条件下，利用ANSYS分析软件对轴承摩擦发热及传热机理进行分析和仿真，得到轴承摩擦热在轴承内部的传递和温度场分布情

3、况，为进一步研究轴承摩擦热对高速转轴的速度性能等的影响提供理论参考，以提高轴承的寿命和可靠性。一、已知各项参数轴承型号轴承套圈及钢球材料轴承宽度L球数Z轴承转速n外圈热传导热阻Rt2,cond内圈热传导热阻Rt1,cond轴承总的生热量HB70059Cr18-GB308612mm149500r/min0.0385k/w0.0626k/w21.0140W二、轴承热量传递及其温度分布1、轴承系统的传热及热阻网络模型根据实验给定的数据知主轴两端的温度分别为和，为精确起见取二者的平均值，即=。进行传热分

4、析时把整个轴承当成一个系统处理，只是在必要时考虑与其接触零件的传热情况。整个轴承系统的传热情况如图1所示，其中和为热传导，其余、、均为热辐射。9图1轴承系统的传热情况示意图为了更形象的表达出整个轴承的传热情况可以将上图1表达成整个轴承传热系统的热阻抗网络模型，如图2所示。图2轴承热传递的热阻抗网络模型其中Ts为轴承球滚珠表面温度，Ts,1为内圈滚道与轴承球滚珠接触区的温度，Ts,2为外圈滚道与轴承球滚珠接触区的温度，当轴承达到热稳态时有Ts,1=Ts,2=Ts，故以下的分析和计算不再区分三者，均

5、相对以Ts表示，T1为轴承内圈的内表面温度，为轴承外圈的外表面温度，为轴承周围环境温度。为球的外圈辐射热阻，为球的内圈辐射热阻，为球的辐射热阻，但是由于热传递的热阻抗网络仅仅是便于形象的定性表达热传递的情况，且计算起来比较麻烦，不如直接从能量角度出发列方程简单方便，故下文在进行传递热量和温度点的计算时只从能量角度出发列方程计算，而不按热传递的热阻抗网络列方程计算。2、传递热量的计算在进行传热分析时轴承的内外圈均发生热传导和热辐射，由于热辐射在达到稳态时对轴承内外圈的温度梯度几乎没有影响，故忽略其

6、影响，只考虑热传导对温度梯度的影响；同理在分析主轴的稳态传热时由于热辐射对主轴的温度梯度几乎没有影响，故忽略其影响，也只考虑热传导对主轴温度梯度的影响。9主轴达到稳态后整个主轴表面沿轴线方向有温度梯度，热量不可能从表面传至主轴内部只能通过表面辐射出去，即辐射出去的能量即为它所能传出去的能量，由于辐射换热达到稳态时主轴表面温度梯度不变，且整个控制力矩陀螺内表面也不变，热量分别从主轴两端沿轴向传到中心面上，温度梯度变化相同，即传热呈以中心面为轴线的轴对称，故其长度只取主轴长度的1/2,主轴的传热模型

7、为平壁热传导模型，故知主轴的温度梯度呈线性关系，设其中心面温度为T3，则有：（1）又辐射的能量等于热传导到轴上的能量，则：（2）故：（3）式中，——实际物体的辐射率，——斯蒂芬-波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/m2·K4A——与导热方向相垂直的表面积（其余参数在前面已作说明）代入数据解得：T3=61.3502°，Q6=0.381100w。轴承内圈发生热传导，轴承内圈热传导的能量为Q1，最后全部由主轴辐射掉，则有：（4）代入数据解得：Ts=62.2339°，==0.381100w对于达到稳

8、态后的轴承内圈，其传热情况为沿径向方向有温度梯度且呈对数关系，一部分能量辐射出去，一部分能量传至主轴并最终通过主轴表面辐射出去，设其辐射出去的热量为Q5,其传热模型为空心圆柱体模型，则有：（5）则：（6）代入数据算得：0.00135298w达到稳态后整个轴承滚珠温度相同，热量不可能从表面传至轴承滚珠内部只能通过表面辐射出去，即辐射出去的能量即为它所能传出去的能量，由于辐射换热达到稳态时滚珠温度不变，且整个控制力矩陀螺内表面也不变，则其辐射换热的能量为：（7）9代入数据求得：0.000817912