工况参数对高速角接触球轴承温升特性的影响

文摘   2024-10-18 17:52   河南  

《轴承》2024年 第10期

引文格式:

董艳方,何恺,邱明,等.工况参数对高速角接触球轴承温升特性的影响[J].轴承,2024(10):32-38.

DONG Yanfang,HE Kai,QIU Ming,et al.Influence of Operating Parameters on Temperature Rise Characteristics of High-Speed Angular Contact Ball Bearings[J].Beairng,2024(10):32-38.


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工况参数对高速角接触球轴承

温升特性的影响

董艳方 1,2何恺 1邱明 1,2 马亚飞 1于伟 1

(1. 河南科技大学 机电工程学院,河南 洛阳 471003;2. 机械装备先进制造河南省协同创新中心,河南 洛阳 471003 )

DOI:10.19533/j.issn1000-3762.2024.10.005

摘 要 以润滑油温度、转速、径向载荷、轴向载荷和喷油量等工况参数为变量进行温升试验,分析工况因素对高速角接触球轴承温升特性的影响规律,并应用灰色关联度方法研究不同工况参数对轴承温升的影响程度。试验结果表明:喷油量与轴承温升之间呈非线性关系;存在最佳轴向预紧力使轴承的温升较低,不同转速条件下轴承达到最优预紧状态所需要的轴向载荷不同;各工况参数对轴承温升的影响程度从大到小为润滑油温度、转速、喷油量、轴向载荷、径向载荷。
关键词 滚动轴承;角接触球轴承;灰色关联分析;温升试验;温度;载荷;转速
轴承是机械设备中的关键部件,在高速运转过程中会产生大量热量,温升过高会影响轴承的使用寿命和性能。因此,研究轴承的温升特性及其影响因素对于延长轴承服役寿命,提高轴承可靠性具有重要意义。
在过去的几十年中,轴承的热特性研究已取得了一定进展。许多学者利用试验方法和数值模拟技术探究了轴承在不同工况下的温升规律和机制,并提出了一些有价值的结论:轴承的材料、润滑方式、工作条件等因素均对轴承的温升产生影响,润滑膜的形成和热传导效率也是影响轴承温升的重要因素。姜久林等1利用ANSYS Fluent软件对高铁轴箱轴承进行稳态仿真,并利用正交试验分析了轴承温度场的影响因素,得出轴承的最高温度受行车速度影响较大,受风速和环境温度影响较小的结论。李小萍2使用数值仿真分析了轴承温升与载荷、转速和接触角之间的关系,结果表明在不同转速或加载条件下,轴承所受摩擦力和载荷不同,导致生热程度不同,进而造成了轴承温度差异。WEN等3通过ANSYS有限元分析软件计算出各个组件的热源及传热系数,并通过温度试验进行验证,系统研究了轴承温升的原因和影响过程。张芸嘉4利用Fluent流体仿真软件对不同喷油量下的轴承进行流固热耦合仿真,得到内、外圈及滚子的温度,结果表明喷油量对轴承温度有较大影响。信召顺等5研究了轴向预紧力、转速及室温对7008C角接触球轴承温升的影响,发现轴承在一定转速下存在最佳轴向预紧力使温升最低。ZHENG等6考虑了接触角对热变形的影响,全面分析了润滑剂、轴承径向和轴向的结构约束以及零件装配关系对轴承温度的影响,基于分析结果构建了综合热网格温升预测模型,该模型能够准确预测轴承及其周围环境的温度变化。靳岚等7-8专注于角接触球轴承的生热机理,综合考虑了接触参数和摩擦生热之间的交互影响,成功研究出一种能够预测轴承温升的方法,此外通过深入分析轴承的生热机制,更准确地评估轴承在运行过程中的温度变化,提出了一种考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的轴承温度场分析方法。ZHOU等9-10通过搭建多点测温试验台,研究了转速和外载荷对双列圆锥滚子轴承温升及温度分布的影响,在径向载荷作用下,轴承周向存在明显温差。李振峰等11使用热网络法建立了轴承稳态温度计算模型,求解出不同转速、载荷和润滑油温度下的轴承温度,结果表明各节点温度与载荷和转速成正比。GAO等12基于仿真和试验的方式研究了内圈、外圈和滚子的温度分布,结果表明转速对内圈影响较大,随着转速增加,内外圈的温差逐渐减小,滚子的大端温度最高。邓长城等13基于试验数据结合灰色关联度法研究了轴承温度的影响因子并进行排序,影响程度从大到小为转速、轴向载荷、径向载荷、润滑脂含量。马亚飞等14在邓长城等人的基础上研究了影响双列角接触轮毂轴承温度分布的因素,得出与邓长城等人近似的结论。
然而,目前对于轴承温升特性的研究还存在一些问题和不足:研究轴承温升特性时往往仅从单一角度,如仅从摩擦生热或润滑条件分析其对轴承温升特性的影响,而未对多个因素综合作用下的温升特性进行全面深入分析,忽视了诸多交互因素对轴承工作温度稳定性的综合作用,未能全面反映出多个方面如何相互作用以及相互影响并在系统中共同决定最终的稳态工作温度;由于润滑膜的复杂性和热传导机制的不确定性,轴承温升的数值模拟仍存在一定的误差和局限性,一些研究结果也尚未得到充分验证和证实,如刘华文15在进行轴承温度场分析时主要依赖计算流体动力学模拟等高级数值建模方法预测轴承在各条件下的热行为和温度分布,由于边界条件、材料特性等因素的复杂性,仿真结果可能与实际情况存在偏差;对轴承温升的因素考虑不全面,轴承温升受到摩擦、润滑方式、转速、载荷、润滑油性质等多种因素的影响,目前的研究较少考虑润滑油温度、喷油量以及它们之间的相互作用。
本文在前人研究基础上考虑轴承润滑油温度、喷油量、转速、轴向载荷、径向载荷对轴承温升的影响,并深入研究不同转速下轴承的预紧力;通过灰色关联度模型对温升的影响因素进行排序,以深入揭示轴承工作机理,为轴承设计与工程应用提供参考。

1 轴承温升试验

1.1 试验设备

本试验在轴承高温高速试验机上进行,试验机主要组成部分如图1所示,主要包括主体轴系、机座、径向和轴向加载装置以及加载控制端。轴承座上配备了测温孔,用于安装温度传感器以实时监测外圈温度,测量油温的传感器布置在油箱内部。驱动系统由电主轴控制,试验机性能指标见表1。试验轴承选用NSK 7008C/P4角接触球轴承,轴承参数见表2。润滑方式为喷油润滑,采用稳定性较好的4050航空润滑油。

图1   试验机主体Fig.1   Main body of tester

表1   试验机性能指标Tab.1   Performance indexes of tester


表2   轴承基本参数Tab.2   Basic parameters of bearing


角接触球轴承的安装位置如图2所示,喷油嘴与轴承的关系如图3所示。轴系两端分别为试验轴承1与试验轴承2,中间2套为陪试轴承。为模拟轴承工作时的初始预紧力和承受的载荷,运用轴向加载体和径向加载体分别施加轴向载荷和径向载荷。

图2   轴承装配示意图Fig.2   Assembly diagram of bearing

图3   喷油嘴与轴承的关系Fig.3   Relationship between oil injector and bearing

1.2 试验方案

选择喷油量、轴向载荷、径向载荷、转速、润滑油温度为试验因素,室温为20 ℃,试验方案主要分为5组。
第1组:保持轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,转速为10 000 r/min,润滑油温度为30 ℃不变,改变喷油量(2,3,4,5,6,7,8 L/min)进行热平衡试验。
第2组:保持轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,转速为10 000 r/min,喷油量为6 L/min不变,改变润滑油的温度(60,90,120 ℃)进行热平衡试验(30 ℃已在第1组试验中进行,这里不再重复)。
第3组:保持轴向载荷为0.5 kN,转速为10 000 r/min,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min不变,改变径向载荷(0.5,1.5 kN)进行热平衡试验(1.0 kN已在第1组试验中进行,这里不再重复)。
第4组:保持轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min不变,改变转速(5 000,8 000,12 000 r/min)进行热平衡试验(10 000 r/min 已在第1组试验中进行,这里不再重复)。
第5组:保持径向载荷为0.5 kN(为降低径向载荷对温升的影响,此处选较小径向载荷),润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min不变,针对不同转速(5 000,8 000,10 000,12 000 r/min)改变轴向载荷 (0.2,0.4,0.6, 0.8 kN)进行热平衡试验。

2 试验结果

2.1 喷油量对轴承温升的影响

轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,转速为10 000 r/min,润滑油温度为30 ℃条件下,喷油量对轴承温升的影响如图4所示:喷油量对轴承温升影响显著,二者之间存在非线性关系;喷油量为2 ~ 3 L/min时,轴承温升最大,此时轴承可能无法形成完整且连续的油膜,不足以提供有效润滑,导致摩擦且生热较高,另外润滑油流量不足时,润滑油也无法有效带走轴承内部的热量;喷油量为3 ~ 4 L/min时,轴承温升呈明显下降趋势,与其他喷油量相比,4 L/min时轴承温升(轴承1为16.5 ℃,轴承2为16.2 ℃)更为理想,此时的喷油量提供了较好的冷却,油膜的厚度和强度可能达到理想状态,可以减少摩擦且避免过多的搅油力矩;喷油量为4 ~ 6 L/min时,轴承温升呈上升趋势,这是因为随着润滑油流量增大,轴承内部的润滑油流动速度和流动情况发生变化,导致搅油力矩增加,内部生热也相应增加,尽管流量增大可以带走更多热量,但额外的摩擦生热可能超过了冷却效果;喷油量为6 ~ 8 L/min时,润滑油流量充足,尽管搅油力矩依然较大,但在工作过程中并不占主导作用,相反通过充分的润滑油流动,较大的流量大大提高了轴承内的冷却能力,有效促进了热量的吸收和传递,此时润滑油的冷却效果能够弥补由于搅油引起的热量增加,并在8 L/min时轴承的温升最低(轴承1为15.5 ℃,轴承2为14.6 ℃),但过高的喷油量也可能导致较高的能量消耗以及产生大量油雾问题。因此,适当控制喷油量能够帮助维持润滑油温度的均匀性、摩擦热的分散和油膜的稳定性,并且提供较好的热传递效果,有助于维持轴承稳定的工作状态,减少因摩擦和热量积聚而引起的潜在问题,进而使轴承温升得到有效控制。

图4   喷油量对轴承温升的影响Fig.4   Influence of oil injection amount on bearing temperature rise

2.2 润滑油温度对轴承温升的影响

轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,转速为10 000 r/min,喷油量为6 L/min,润滑油温度分别在30,60,90,120 ℃稳定后进行试验,润滑油温度对轴承温升的影响如图5所示,润滑油温度在加热过程中会先超出限定温度而后在设定温度处稳定,故图中曲线有先上升后下降的趋势,并不影响实际试验结果。由图5可知:轴承1与轴承2的温度一致性较好,具有相同的温升趋势,随油温升高,轴承温度也逐步升高并最终趋于平稳;除了常温工况,其他工况下的轴承温度均未超出油温的设定值,这是由于轴承自身产生的热量高于30 ℃润滑油的热量,热量向润滑油传递,当润滑油温度处于60,90,120 ℃时,润滑油热量高于轴承自身产生的热量,润滑油的热量向轴承传递,传递过程中存在热量损失,导致轴承温度接近油温但低于油温;轴承外圈温度随润滑油温度的升高而升高,这是因为润滑油在运行过程中主要起冷却作用,通过带走轴承内部产生的热量来维持轴承的温度,润滑油温度升高,其冷却效果降低,无法带走轴承温度,导致轴承的温度逐渐升高;润滑油温度在90 ℃以下时,轴承温升近似呈线性上升趋势,这是由于润滑油温度升高导致其黏性减弱,润滑效果降低,而润滑油温度高于90 ℃时,轴承温升急剧上升,这是因为此时的润滑油温度可能更易导致轴承油膜破裂或油膜特性遭到破坏,无法起到有效润滑,增加了摩擦,从而使轴承温升加剧。

图5   润滑油温度对轴承温升的影响Fig.5   Influence of lubricating oil temperature on bearing temperature rise

2.3 径向载荷对轴承温升的影响

轴向载荷为0.5 kN,转速为10 000 r/min,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min条件下,径向载荷对轴承温升的影响如图6所示:随着径向载荷增大,轴承温升呈上升趋势,这是由于钢球与沟道产生一定的变形,钢球与内外圈之间的接触压力增大,导致内部应力升高,摩擦力增大,进而使轴承温升升高。

图6   径向载荷对轴承温升的影响Fig.6   Influence of radial load on bearing temperature rise

2.4 转速对轴承温升的影响

轴向载荷为0.5 kN,径向载荷为1 kN,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min条件下,转速对轴承温升的影响如图7所示:随着转速提高,轴承温升呈上升趋势,这是因为转速提高,钢球与内外圈之间的摩擦逐渐增加,导致摩擦热量增加,且轴承在高速旋转时润滑油的分布也会受到一定影响,转速越高润滑油分布越不均匀,无法满足轴承润滑需求,导致润滑性能下降,进而使轴承的摩擦和温升升高。

图7   转速对轴承温升的影响Fig.7   Influence of rotational speed on bearing temperature rise
径向载荷为1 kN,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min,不同轴向载荷下转速对轴承温升的影响如图8所示:轴向载荷为0.4 kN时,随着转速提高,轴承温升呈先增大后减小再增大的趋势,出现拐点的原因是0.4 kN处于10 000 r/min下轴承的最优预紧力区间内,轴承内部钢球的相对滑动减少,润滑油在轴承内部形成的润滑油膜不易破裂,进而减少了热能的损失。

图8   不同轴向载荷下各级转速的轴承温升Fig.8   Influence of rotational speed on bearing temperature rise under different axial loads
综上所述,转速对轴承温升具有较大影响,但施加适当的轴向预紧可以显著降低轴承温升。

2.5 轴向载荷对轴承温升的影响

径向载荷为0.5 kN,润滑油温度为30 ℃,喷油量为6 L/min,不同转速下轴向载荷对轴承温升的影响如图9所示:不同转速下,随着轴向载荷增加,轴承温升并非呈单调递增趋势,这与文献[5]的试验结果一致;转速为5 000 r/min时,随着轴向载荷增大,轴承温升变化不明显,这是由于增大轴向载荷虽然使得钢球滑动接触面的接触应力增大,但由于较低转速下钢球与内外圈之间的滑动速度较小,摩擦产生的热量较低,因此温升不明显;当转速为8 000,10 000 r/min时,轴承温升呈先减小后增大的趋势,且均在轴向载荷为0.4 kN时温升最低,这是由于此载荷下轴承处于较优的接触状态,轴承内部钢球的接触状态更稳定,相对滑动减少,润滑油在轴承内部形成的润滑油膜不易破裂,进而减少热能的损失,因此温升最低;转速达到12 000 r/min时,轴承温升呈先增大后减小再增大的趋势,与10 000 r/min时的温升曲线相比,温升下降拐点更靠右,这是由于随着轴承转速升高,离心力也随之增大,较大的离心力使钢球与沟道之间的接触压力增大,因此需要更多的轴向力来抵消增加的载荷,使轴承达到较优的接触状态。

图9   不同转速下轴向载荷对轴承温升的影响Fig.9   Influence of axial load on bearing temperature rise under different rotational speeds
综上所述,随着轴向载荷的增加,轴承温升并非呈单调递增趋势,表明存在一个最佳预紧状态使轴承的温升较低,即存在一个最佳预紧力,且在不同转速条件下轴承达到最优预紧状态所需要的轴向载荷不同。

3 灰色关联度分析

本节通过构建灰色关联度分析模型来解析影响角接触球轴承温升的关键因子。将引起角接触球轴承温升变化的影响因素作为比较序列,选定角接触球轴承的温升作为参考序列,计算不同影响因素与温升的关联度,关联度数值越大代表该因素对轴承温升的影响程度越大。

3.1 参考序列与比较序列的选定

将2套7008C试验轴承的温升作为参考序列,分别记为y1k),y2k),k为轴承温度测量次数,k=1,2,…,n。将喷油量、轴向载荷、径向载荷、转速、润滑油温度作为比较序列,分别记为z1k),z2k),z3k),z4k),z5k)。在比较序列中,如果研究对象有s个影响因素,并且包含m种工况,那么比较序列表达式则可以写成(1)式,本文设定了5个影响因素即s=5,每个影响因素对应31种工况即m=31。

 。(1)

3.2 量纲一化处理

为了消除单位对计算结果的影响,对数据进行量纲一化处理,即

(2)

3.3 灰色关联度计算

获得比较序列和参考序列量纲一化的数据后,计算各因素与温升之间的灰色关联度系数,即(i取1或2,代表轴承1或轴承2)

 ,(3)

 ,(4)

 ,(5)

 ,(6)

(7)

(8)

(9)
式中:为某个比较序列和参考序列对应的关联系数;Δmin,Δmax分别为参考数据序列和比较数据序列的最小绝对差和最大绝对差;ρ为分析运算的分辨率系数。
依据各因素的灰色关联度系数计算灰色关联度,即

 ,(10)
式中:wij为各工况下的权重,由于31种试验工况之间互不相关,因此在各工况下权重因子wij被认为是相同的,即wij=1/31。

3.4 计算结果与分析

计算5个工况参数与轴承温升的灰色关联度,结果如图10所示:润滑油温度和转速对轴承温升具有显著影响,且二者影响程度相近,均为重要因素;工况参数对轴承温升的影响程度从大到小依次为润滑油温度、转速、喷油量、轴向载荷、径向载荷。在不考虑润滑油温度与喷油量的情况下,本文结论与文献[14]一致,说明试验具有一定的可靠性。

图10   各工况参数与轴承温升的灰色关联度Fig.10   Grey correlation between various operating parameters and bearing temperature rise
试验过程中应尽量选择高品质的润滑油,轴承在运行过程中确保润滑油的温度控制在适当范围内,在无特殊需求的情况下尽量选择常温或低温的润滑油,可以考虑采用冷却设备降低润滑油温度。
转速对轴承温升的影响较大,高转速会产生更多的摩擦热量,增加轴承的温升,因此应确保轴承在额定转速范围内运行,避免超过其极限转速。
喷油量对轴承温升也有一定影响,适量喷油可以提供足够的润滑和冷却,但较多喷油可能导致能量损耗和润滑油温度上升,所以应避免因搅油力矩而产生额外的热量,从而获得较低的轴承温升,使设备稳定运行。
轴向载荷与径向载荷对轴承温升的影响相对较小,然而过大的载荷可能会增加轴承的摩擦和磨损,进而导致更高的温升。根据上文轴向载荷试验数据及分析结果可知,随着轴向载荷增加,轴承温升并不呈线性增长,这表明存在一个最佳的预紧状态,可以降低轴承温升。因此建议在试验前根据轴承类型合理估算轴向载荷与径向载荷。
轴向载荷、径向载荷、转速、润滑油温度以及喷油量之间的相互作用也需要充分考虑,以实现最佳的轴承性能。

4 结论

通过改变轴向载荷、径向载荷、转速、润滑油温度以及喷油量等参数,测得轴承温升数据,分析了不同工况对温升的影响,并将试验数据与灰色关联度模型结合,对影响角接触球轴承的温升因素进行排序,主要得到以下结论:
1)喷油量与轴承温升之间呈非线性关系。
2)轴承的温升特性显示出对轴向载荷的非线性响应,不同转速下存在最优预紧力使轴承的温升最低。
3)工况参数对轴承温升的影响程度从大到小依次为润滑油温度、转速、喷油量、轴向载荷、径向载荷。

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Influence of Operating Parameters on Temperature Rise Characteristics of High-Speed Angular Contact Ball Bearings

DONG Yanfang 1,2HE Kai 1QIU Ming 1,2 MA Yafei 1YU Wei 1

(1. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003,China;2. Henan Collaborative Innovation Center for Advanced Manufacturing of Mechanical Equipment, Luoyang 471003,China )

Abstract: A temperature rise test is carried out using operating parameters such as lubricating oil temperature, rotational speed, radial load, axial load and oil injection amount as variables to analyze the influence of operating factors on temperature rise characteristics of high-speed angular contact ball bearings. The grey correlation method is used to study the influence degree of different operating parameters on bearing temperature rise. The test results show that there is a nonlinear relationship between oil injection amount and bearing temperature rise;there is an optimal axial preload that reduces the bearing temperature rise, and the axial force required for the bearings to reach optimal preload state varies under different rotational speed conditions;the influence degree of various operating parameters on bearing temperature rise varies from high to low, including lubricating oil temperature, rotational speed, oil injection amount, axial load and radial load.

Keywords: rolling bearing;angular contact ball bearing;grey correlation analysis;temperature rise test;temperature;load;rotational speed

作者简介:董艳方(1988—),男,副教授,硕士生导师,研究方向为轴承性能评价。

通讯作者:邱明(1969—),女,教授,博士生导师,研究方向为高性能轴承设计与理论研究,E-mail:qiuming69@126.com。

基金信息: 国家自然科学基金资助项目(52205096);河南省教育厅高等学校重点科研项目(23A460007)

中图分类号: TH133.33+1

文章编号:1000-3762(2024)10-0032-07

文献标识码: B

收稿日期:2024-01-15

修回日期:2024-04-15

出版日期:2024-10-05

网刊发布日期:2024-10-08

本文编辑:毛雨欣

轴承杂志社
《轴承》创刊于1958年,由洛阳轴承研究所主管、主办,国内外公开发行,中文核心期刊、中国科技核心期刊。
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