计入温度场的预负荷空心圆柱滚子轴承性能研究

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Study of the Performance of Pre.1oaded Hollow Cylindrical RollerBearings Including Temperature FieldLiu Yankui Guan Tianmin Wei Yangang(School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian Liaoning 1 16028，China)Abstract：According to the theory of contact mechanics，the thermal-mechanical coupled finite element analysis modelof pre-loaded hoUow cylindrical roler bearings including temperature field was built，and the efects of temperature onbearing perform ance and rigidity of pre-loaded hollow cylindrical roler bearings were analyzed.The results show that whenincluded the temperature field，the maximum equivalent stress and contact stress of the bearing are increased，and themaximum contact stress is increased greatly.When the pre-load and the hollow ratio are unchanged，the bearings radialstifness is increased with the increase of temperature.When the pre-load and the hollow ratio are changed，the bearingsradial stiffness is changed a litle with the increase of load。

Keywords：holow cylindrical roller bearings；therm al mechanical coupling；stiffness空心圆柱滚子-般由常规实心圆柱滚子沿轴心线方向开设内圆柱通孔而得到。虽然空心圆柱滚子轴承的开发可以追溯至百年以前，但是空心滚子在高速轴承中的作用 ，直到 20世 纪 60年代才受 到广泛重视。美国轴承专家维拉尔 ·波文 (Wil-lard L Bow。

en)首先发现预负荷无保持架的空心圆柱滚子轴承具有高回转精度、高刚度、低噪声及高极限转速等优点 。此后，这种轴承在机床行业 ，尤其是在高速精密机床上得到了广泛的应用。20世纪 70年代 ，原苏联将空心度为 50%、无保持架、无预载荷的空心滚子轴承用于铁路机车车辆；日本、德国在轧机轴承上采用-种连接销轴穿过空心滚子内孔的保持架 ，以节省保持架所 占空间来增加滚子数量，从而增加轴承承载能力。然而空心滚子轴承的关键技术为欧美等发基金项 目：辽宁侍育厅科学研究-般项 目 (152012158)。

收稿 日期 ：2012-09-02作者简介 ：刘彦奎 (1981-)，男，博士研究生 ，讲师，研究方向：机械设计及 CAE.E-mail：liu-yankui###163.COB。

达国家的轴承企业所垄断，我国对空心滚子轴承的研究与应用起步较晚，而且应用领域也比较窄 ，对空心滚子轴承的研究远不如实心滚子轴承那么充分。对空心滚子轴承承载能力高、疲劳寿命长的解释也不尽相同 。另外 ，现有的理论研究主要是用弹性梁理论来研究空心滚子轴承的应力和变形 ，且都没有考虑温度场对预负荷空心圆柱滚子轴承性能的影响。而温度是影响轴承性能的-个重要参数，它可以引起轴承游隙的变化 ，进而影响轴承的承载性能及刚度。本文作者应用有限元软件 ABAQUS对计人温度场 的预负荷空心圆柱滚子轴承进行模拟和分析计算 ，得出温度对预负荷空心圆柱滚子轴承刚度和承载性能的影响，为预负荷空心圆柱滚子轴承的设计提供参考。

1 有限元模型的建立为了节势算时间和成本，根据接触力学相关理论，将预负荷空心圆柱滚子轴承的热力耦合问题简化为平面应变问题。所分析轴承的基本参数如下：滚子半径为 14 mm，滚子长度为 44 mm，内圈外表面半径为64.75 mm，内圈内表面直径为 55 mm，外圈内表2013年第 3期 刘彦奎等：计人温度场的预负荷空心圆柱滚子轴承性能研究面半径为 92.75 mil，外圈外表面直径为 105 ITITI，轴承宽度为 73 mm；轴承所受当量动载荷为P242.63 kN，滚动体数目为 14。在 ABAQUS中建立好的有限元网格模型如图 1所示。

图1 预负荷空心圆柱滚子轴承的有限元网格模型Fig 1 Finite element mesh model of bea6ngs2 有限元计算结果及分析2.1 不同过盈量的预负荷轴承在施加温度前后的应力情况表 1示出了滚子空心度 60%时，不同过盈量的预负荷轴承在施加温度前后应力的计算结果，可知，在其他工况条件相同情况下，施加120℃温度场后，随着过盈量的增加，预负荷空心圆柱滚子轴承的最大等效应力和最大接触应力都是先变畜变大 ，与没有施加温度场之前的变化规律相似。相同过盈量和空心度情况下，施加温度丑的轴承的最大接触应力大于没有温度场的，而最大等效应力对温度不敏感，随温度变化较校表 1 不同过盈量时预负荷轴承在施加温度前后的应力情况 ( 60%)Table 1 The stress condition of preload bearings before and after the application of temperature at diferentpro·loads( 60%)2.2 不同空心度的预负荷轴承在施加温度前后的应力情况表2 不同空心度的预负荷轴承在施加温度前后的应力情况 (R0.07 mm)Table 2 The stress condition of preload beatings before and after the application of temperature at diferentholow ratios(R 0.07 mm)润滑与密封 第 38卷表 2示出了预负荷轴承过盈量 R：0. 07 mm 时 ，不同空心度的预负荷轴承在施加温度前后应力计算结果，可知，在其他工况条件相同的情况下， 施 加l20℃温度丑 ，随着滚 子空心度 从 50% 增加 到75%，预负荷轴承的最大等效应力先变畜变大， 与有施加温度场之前的变化规律相似， 而最大接触应力则-直减校相同过盈量和空心度情况下， 施加温度丑滚子的最大接触应力大于没有施加温度场的，而最大等效应力对温度不敏感， 在施加温度场前后化很小 。

通过上 面 的计算 结 果 表 明， 在 过 盈 量 为0·07 mil，空心度为 60%时， 轴承的应力情况最好，所以接下来以过盈量为O.07 mlTl、 空心度为 60%的预负衙轴承为研究对象。

2·3 不同温度下的预负荷轴承刚度随载荷比例的变化情况图2示 出了过盈量 R 0. 07 mm、空心度 ：60.%的预负荷轴承，在总载荷p242 630 N， 温度分，. 0，40，60，80，10和120℃时，刚度随 载荷比例的变化情况∩以看出，在过盈量和空心度定，温度由0℃变化到120 oC时，预负荷轴承的刚譬荸本上都是随着载荷的增大而有所增大，但是总体图2 不 同温度下轴承刚度随载荷比例的变化( O-07 mm， 60%，P 242 630 N1g 2 Chalge。f bearings stifness with load r丑ti0 at diferent。 p。m (RO·07 mm， -6o， P 242 630 N、2·4 不同空心度的预负荷轴承刚度随载荷比例的 变化 情 况。

3示出了过盈量 R0.07 ITI1TI的预负荷轴承， 譬 20℃下，不同空心度的轴承的刚度随载荷比的变化情况∩以发现， 在相同温度和过盈量 蓓 下， 预负荷轴承的刚度随着空心度的增加而急剧：且在空心度低于60%时，刚度随着载荷比例的增加而有所增加，但增加幅度很小；在空心度大享60%.时，预负荷轴承的刚度随着载荷 比例的增加而先增大后减校图3 不同空心度时轴承刚度随载荷比例的变化( O·D7 mlTl， 120 oC， P 242 630 N1ng 3 Change。f beatings stifness with load ratj。at difefent h(Jl。wratios(R0·07 mm， ：120℃， P 242 630 N、2·5 不同过盈量的预 负荷轴承刚度随载荷比例的变化 情况图4示出了空心度 60%的预负荷轴承， 在譬 20℃下，不同过盈量的轴承的刚度随载荷比例 情况。 可见，在温度和空心度-定时， 随着过苎 加，预负荷轴承的刚度逐渐变大，但是量 增加到-定程度时，过盈量对刚度的影响就变得。 呈在过盈量较小时，刚度随着载荷的增加会发 等 大幅度的变化， 而在过盈量较大时，随着载荷的图 4 不同过盈量时轴承刚度随载荷比例的变化( 60% ，120 oC，P 242 630 N)ng 4 Change of bearings stifness with load rati。at diferentpreloads( 6O% ， 120℃，p ：242 630 N)3 结论。

(1)施加温度丑，预负荷空心圆柱滚子轴承的最大等效应力和最大接触应力随过盈量和空心2013年第3期 刘彦奎等：计人温度场的预负荷空心圆柱滚子轴承性能研究 47变化规律与没有施加温度场时类似，都是随着过盈量和空心度的增加而先变畜变大；预负荷空心圆柱滚子轴承的最大等效应力对温度场不敏感，只有当空心度较大时，施加温度丑轴承的最大等效应力才会有较大幅度的增加；预负荷空心圆柱滚子轴承的最大接触应力对温度诚敏感，施加温度丑的最大接触应力都大于没有施加温度场时的最大接触应力 ，且变化幅度较大。

(2)在过盈量和空心度-定，不同温度情况下，预负荷轴承的刚度随着载荷的增大而有所变化，但是总体变化幅度都不大。

(3)在相同温度和过盈量的情况下，预负荷轴承的刚度随着空心度的增加而急剧降低，但在不同空心度时，预负荷轴承的刚度随着载荷比例的增加变化幅度不大。

(4)在温度和空心度-定时，随着过盈量 的增加，预负荷轴承的刚度逐渐变大，但是当过盈量增加到-定程度时 ，过盈量的变化对刚度的影响就变得很小；在过盈量较小时 ，刚度随着载荷的增加会发生较大幅度的变化，而在过盈量较大时，随着载荷 的增加 ，轴承的刚度变化幅度很校