考虑结合面接触热阻的角接触球轴承温度场分析

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Analysis on Thermal Field for Angular Contact Ball Bearings ConsideringThermal Contact Resistance of Coupling SurfacesXue Zhi-song，Hu Xiao-qiu，Zhao Yan(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)Abstract：Based on analysis of the tribology and heat transfer theory of roling beatings，the friction heat of angularcontact ball bearings is calculated，and the heat transfer model is developed considering thermal contact resistance ofcoupling surfaces.Owing to the ANSYS，the distribution of temperature field is compared with and without consideringthe therm al contact resistance.The results show that when the therm al contact resistance is considered，the temperatureof bearings is slightly higher than thatbithout thermal contact resistan ce.There is temperature diference between thetwo surfaces of contact surface。

Key words：angu lar contact ball bearing；therm al field；FEM；thermal contact resistance角接触球轴承是机床进给系统中重要的支承部件。随着高速机床的出现，机床进给速度不断提高，轴承生热量增加、温度升高，会引起轴承 自身及丝杠的热变形，导致机床精度降低。因此深入研究轴承热特性，获得较为真实的轴承温度场分布情况，对于机床整体精度的提高具有重要意义。文献[1]对双层滚动轴承的热特性进行了研究，提出了降低轴承温升的措施；文献 [2]建立了轴连轴承的热传递模型，并实际测量了轴承的温度；文献 [3]在对轴承传热进行分析的基础收稿日期：2012-11-27；修回日期：2012-12-26基金项目：国家科技重大专项资助项目(2012ZX04010-011)作者简介：薛志嵩(1986-)，男，硕士研究生，从事高档数控机床进给系统热特性的研究。

上，利用 ANSYS对角接触球轴承温度厨行了分析和仿真。但在上述传热模型中均没有考虑结合面接触热阻对轴承温度场的影响。

轴和内圈为过盈配合，由于接触的表面凹凸不平，结合面不能完全相接触，在结合面处也存在接触热阻∮触热阻的存在影响了轴承温度场的分布。下文在考虑结合面接触热阻的基础上，建立了新的轴承热传递模型，并利用 ANSYS对轴承温度厨行了分析与计算。

1 角接触球轴承的传热及其模型角接触球轴承在旋转过程中，钢球与内、外圈之间相对运动会产生摩擦热。轴承热量传递的过程如图1所示。Q 为由内圈传递到轴的热量，Q：为由外圈传递到轴承座的热量；Q ，Q 最薛志嵩，等：考虑结合面接触热阻的角接触球轴承温度场分析终散失到空气中；Q。，Q 为通过内、外圈直接散失到空气中的热量；Q 为通过钢球散发到空气中的热量。

轴承座q图 1 轴承热量传递 示意 图由于结合面处存在接触热阻，摩擦产生的热量Q ，Q：由内、外圈分别传递到轴、轴承座的过程中会受到接触热阻的影响，进而对轴承温度场分布产生影响。

在考虑内圈与轴、外圈与轴承座之问结合面接触热阻的基础上建立了如图2所示的轴承热传递模型图。图2中 ， ， 分别为轴、轴承座外表面和钢球的温度；R 为钢球的热阻；R R 分别为内、外圈润滑脂的热阻；Ri，R 分别为内、外圈热阻；Hi，He分别为钢球与内、外圈的摩擦热；R为轴的热阻， ：为轴承座热阻；R。为外圈与轴承座之间的接触热阻；R i为内圈与轴之间的接触热阻。上述各参数计算方法见文献[4]。

暑图 2 轴 承 热 传 递 模 型2 接触热阻及表面对流换热系数2.1 外圈与轴承座之间的接触热阻外圈和轴承座之间为间隙配合，间隙的大小取配合公差的平均值。轴承外圈和轴承座之间的热阻为hi 1A ARoe 1， (2)式中： 为外圈与轴承座之间的热传递系数；h 为外圈的厚度； 为外圈和轴承座的平均间隙；AT为轴承的导热系数；A 为空气的导热系数；A。为轴承与轴承座的名义接触面积。

2.2 轴与内圈之间接触热阻内圈与轴之间相接触的表面为粗糙表面，具有分形特征，根据在 - 函数基础上改进的 -B分形接触模型 J，内圈与轴之间的接触热阻为。

， (3) 凡z 。 Lj，ci ， (4)A A ， (5)2Ac r而 ， (6)： ， (7)E - E，。

式中：h 为内圈与轴之间的热传递系数；A 为无量纲相对接触面积比；L 为结合面空隙厚度；.i。，后为接触材料的导热系数；A 为内圈与轴的名义接触面积；A 为实际接触面积；H为两接触体材料中较软材料的硬度；E为复合弹性模量；D是粗糙表面的分形维数；G为分形粗糙度参数；E ，E ， ，分别为两接触材料的弹性模量和泊松比。

2.3 轴承座、轴与空气的对流换热系数内圈和轴高速旋转时，轴、内圈与周围空气之间的换热属于强迫对流换热，与周围空气的对流换热系数为h30.11号(0.5R ·Pr) ， (8)式中：R roJd /v， ，d分别为轴的角速度和直径；P，为普朗特数； 为空气的运动黏度；k为轴的导热系数。

轴承座与周围空气之间的换热为自然对流换热，换热系数取 10 W/(m ·K)。

3 轴承温度场有限元分析3.1 有限元分析模型的建立计算对象为7602020TVP型角接触球轴承，其基本参数见表 1。

轴承的预紧力 F 2 000 N，转速 n3 000r/min，采用脂润滑。由于轴承在运转过程中润滑 曼 Q 二 2鳇CN41-l148/TH轴承 2013年5期Beating 201 3，No.537-40振动检测技术在轴承寿命考核中的应用孙北奇，葛世东，买楠楠，于晓凯，张文涛(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)摘要：对薄壁陶瓷球轴承进行了试验研究，通过对比试验前后轴承的摩擦力矩、径向游隙、旋转精度，分析了薄壁轴承振动标准值和振动峰值的变化原因，结果表明，振动在线检测技术在薄壁陶瓷球轴承寿命考核分析中具有-定的实用性与可靠性。

关键词：薄壁陶瓷球轴承；振动标准值；振动峰值中图分类号：THI33.33；0329 文献标志码：B 文章编号：1000-3762(2013)05-0037-04由于陀螺主轴承的性能直接影响到位标器的灵敏度和导引性能，而且轴承工况极为恶劣，使用寿命很短，所以主机寿命均以陀螺主轴承的寿命为依据。目前使用的陀螺主轴承是由9Cr18不锈钢材料制成的微型薄壁轴承，轴承内、外圈沟道与内、外配合表面的最薄壁厚-般在 0.3 mm左右，且轴承不能添加任何外加供油装置。轴承高速工作在强磁撤境中，由于套圈变形、涡流、润滑不良等因素，在使用过程中经常出现轴承卡死的现象，很难满足新型位标器陀螺主轴承的精度和寿命要求。

1 试验1.1 试验目的振动检测技术通过安装在试验装置上的振动传感器监测轴承振动信号，并对信号进行分析与处理来判断轴承工况与故障。在运转过程中，由收稿日期：2012-l1-26；修回日期：2013-01-04于轴承内部和表面状态出现早期微小故障，都会在其振动频谱中反应出来，且信号测试处理简单直观，诊断结果可靠 ，故轴承振动在线检测技术已成为轴承试验技术中的主要的分析监测手段。其优点在于轴承-旦出现问题，可以在最短的时间内发现，并根据试验情况做出相应处置。在所有试验参数不变的情况下，加快试验循环可以缩短试验周期 J。

用户要求研制的 66/9TN3/HVP4(以下简写66/9)和 F66/9TN3/HVP4(以下简写 F66/9)轴承按照高、低温条件跑合 150 h后，轴承本身不能出现异常磨损及振动过大。试验的主要 目的是应用振动在线检测技术对 66/9和 F66/9轴承进行试验，以检验轴承跑合 150 h后能否满足用户的使用要求。

1.2 试验设备及装置轴承在试验装置中的安装结构如图 1所示，模拟了轴承实际使用过程中的安装方式 ，2套轴承球轴承内圈温度都要高于外圈的温度。

上述结论系根据理论分析和计算得出，其准确性还有待试验验证。