基于热网络法的列车轴箱轴承热分析

基于热网络法的列车轴箱轴承热分析基于热网络法的列车轴箱轴承热分析Thermal Analysis of Axle Box Bearing Based on Thermal Network Method吴伟余志壮同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804)摘要:分析了圆锥滚子轴承的摩擦热来源,在此基础上以脂润滑下的cRH3列车用轴箱圆锥滚子轴承单元130/240-B-TVP为研究对象,通过热网络法建立圆锥滚子轴承的热节点的平衡方程组,采用牛顿-拉夫逊迭代法求解进行热分析,研究了各热节点随着径向载荷和运行速度的变化趋势,并得出了圆锥滚子轴承在工作过程中温度最高点和最低点分别出现在滚子与轴承内圈接触处和主轴上关键词:热网络法圆锥滚子轴承热分析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引言率损失及热量在各元件之间的分配进行,热平衡方列车轴箱轴承常常在高速工况下工作,若轴承程组根据 Kirchhoff定律建立,用牛顿-拉夫逊迭代内的摩擦热及高温环境传入轴承的热量不能及时地法③进行数值计算求解。本文在圆锥滚子轴承分析散发,滚动轴承将可能因热膨胀失去工作间隙而发的基础上,对其温度场随径向载荷和运行速度的变生“抱轴”现象,保持架材料可能因高温而熔化,轴承化趋势进行分析,找出了各节点温度分布的最高点滚道及滚动体表面可能因损伤而过早报废。轴承与最低点。的许多种失效形式皆因“热”导致。找出轴承的温度1滚动轴承摩擦热源分布,预测出某一工况下轴承所处的温度场、哪些零热源计算是研究温度场的基础。根据 Palmgren部件是温度较高易于失效的危险部件,就可以有的推导的公式,轴承的摩擦力矩主要有两部分:润滑剂放矢地对设计方案、工艺流程或结构材料进行改进,以提高新产品的寿命和可靠性2]。轴承热分析研究黏性产生的摩擦力矩M。和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩M1。内容主要包括轴承热源计算、热网络图绘制、热平衡方程组的建立与求解。轴承发热量通过计算轴承功、中国煤化工CNMHG*作者简介:吴伟1987年生,硕士研究生。研究方向为轴承润滑与温度场分矿于。余志壮1963年生,博士,副教授。主要研究方向为内燃机与轴承摩擦润滑、先进制造等。76机电一体化12015.03Application· Communication应用交流M,=f1P1dn。dh式中,f6为与轴承类型和润滑方式有关的系数;v为工pcvx,=q,(i=1,2,…,n)。作温度下润滑剂的运动黏度,mn/;n为主轴转速,式中,为密度;e为比热容;为体积业为温度对时r/min;d为轴承节圆,mmf为与轴承类型和所受载荷有关的系数;P为确定轴承摩擦力矩的计算载荷,间的导数。N;Ma、M1为摩擦力矩,N·mm求解这一微分方程组可获得系统的瞬态温度场。滚动轴承接触区热生产还与滚动体和套圈的自热网络法的节点位置的布局、网络的疏密程度完全由旋有关。根据高速下轴承套圈沟道理论,滚动体和研究者根据实际需要来灵活掌握因而用起来很方便。内套圈存在自旋自旋摩擦力矩为M=3Q8。3圆锥滚子轴承温度场模型建立及分析式中,μ为滚动体与沟道的摩擦系数;Q为滚动体与本文以脂润滑下的CRH3列车用轴箱圆锥滚子沟道的法向接触载荷,N;a为赫兹接触椭圆长半轴,轴承单元130240-B-TVP为研究对象B表示带润m;e为第二类椭圆积分。因此,轴承的摩擦热可计滑脂和密封,TvP表示塑钢保持架,见图1。外形尺寸算得为dDB=130mm×240mm×160mm。轴承发热量主要2吓n(M。+M1)+M,on由轴承元件相互运动产生,首先需分析其内部的运动及受力关系。所建立的承载模型见图2式中,n为主轴转速,r/min;a,为滚动体内圈自旋运动的角速度,rad/s。2热网络法的理论基础目前,轴承热分析主要包括有限元法、热网络法和实验法。热网络法是紧跟现代电子学发展的,它的分析方法基本上效法电系统,其网络理论可认为是电子学和电系统的网络。这是因为在一切含有物流与能流的动态系统中,不论该系统中是否有电的存在都可找到电系统中的电阻、电容和电感等概念的对应物,电阻对应各种阻力和对能量的消耗与节流,电容对应各种形式的储存能量,电感对应各种惯性储存能图1 TAROL双列圆锥滚子轴承外观量。热网络法一般用于滚动轴承工作系统的稳态及瞬态温度场分析。把研究对象细分成单元节点,节点之间有热量传递,无论是以何种方式换热,节点之间都用热阻R代替。一个热节点就代表系统中相应某一零件或流体介质(如润滑剂、空气)中某一点或某表面或某一体积上的温度。相关节点之间以不同方式的热阻相互联系形成热网6。根据 Kirch定律,在稳态温度场分析中,对于任一热节点,流入该节点的热流应当等于流出该节点的热流,由此建立系统节点热平衡方程组q=q,(H1,H2,…,Hn)(i=1,2,n),最后通过求解该热平衡方程组即可求出系统中国煤化工的稳态温度场。在瞬态温度场分析中,对于任一热节CNMH点i,流入该节点的热流q应符合关系式图2 TAROL双列圆锥滚子轴承简化图及所求各点分布2015.03|机电一体化7基于热网络法的列车轴箱轴承热分析圆锥滚子轴承130/240-B-TVP部分尺寸如表摩擦热在轴承滚动体和套圈之间作1:1的分布,即所摩擦热有一半进入滚动体4,另一半则进入套圈3和表1圆锥滚子轴承部分尺寸套圈5。参数数值内径/mm宽度/mm外径/mm2408滚子节圆直径/mm接触角/°滚子有效长度/mm滚子平均直径/mmR1单列滚子数图3圆锥滚子轴承热网络图轴向游隙/mm0.59~0.634热网络方程组的建立及求解根据图3,基于 Kirchhoff定律可列出的热传递方热节点符号及其所代表的位置温度见表2。程组为表2热节点符号及其所代表的位置温度(H3-H2)/R3a2-(H2-H6)/R2=0热节点符号代表的位置温度(H2-H0)/R20-(H-H)/Ros=0;(H3-H6)/R36-(H6-H,)/R6n=0H主轴温度(H6-H,)/R6n-(H,-H3)/R,s=0;润滑脂温度轴承内圈温度2C-(H,-2)R2-(H,-H,)R滚子与轴承内圈接触处温度2C4+2C。+(H,-bB4)R3s-(H4-3)/R滚子温度(H4-H1)/R4=0;滚子与轴承外圈接触处温度C。+(H4-H5)/R4s-(H5-H6)/R56-H轴承外圈温度(H5-H1)/R5n=0轴承座温度现代高速列车正常运行速度为270km/h~320km/hH轴箱内温度对应的圆锥滚子轴承的转速约为n=2500r/min2800r/min,轴向外载荷F,=25kN,径向外载荷F,=根据图2和以上列出的热阻法则,可以将轴承内60~80kN,查表可得轴承钢材料密度为781×103kg/部热量的传递关系表达为如图3所示的热网络图。m3,弹性模量约为2.06×103GPa,比热容为460kJ/图3中用数字0~8表小各热节点编号;C1和C分别(kg·℃),热传导系数为45W/(m·K)。将计算得到表示圆锥滚子轴承内圈和外圈的发热量;R4和R分的热阻、生别表示节点间的热对流换热热阻和热传导热阻;箭头锥滚子轴承中国煤化工方程组,可得出圆1、CNMHG点所代表的位置表示热量流向。根据 Burton和 Steph提出的观点,将处的稳态温度。78机电一体化12015.03Application· Communication用·交流4.1径向载荷对热节点温度的影响n=2 500r/min径向载荷对热点温度的影响(转速n=2600r/n=2 600r/minmin时)见图4。n=2 700r/minv n=2 800r/minOkNy F=75kN●F=80kN女证担热节点(F=70N时)图5转速F,=70kN时各热节点的温度值热节点(n=2600mn时)参考文献图4转速n=2600r/min时不同径向载荷下各热节点温度值11刘志全,张永红,苏华.高速滚动轴承热分析[J.润滑与密封,1998(4):66-684.2运行速度对热节点温度的影响运行转速对热节点温度的影响(径向负荷F2]徐建宁,滚动轴承的温度场和热变形分析[J],轴承,2006(5):1-3.70N时)见图5。3]张立红牛顿-拉夫逊选代法在非线性电阻电路计算中结束语的应用[J].山东工程学院学报,1996,10(4):46-50分析计算了在工作过程中径向载荷和运行速度[4]万长森.滚动轴承的分析方法[M].北京:机械工业出对轴承各热节点温度的影响情况。图4和图5结果版社,1987共同表明随着径向载荷和运行速度的增大,轴承温度5]程伟良,李艳秋,夏国栋,等,网络热力学一热力学发随之上升;滚子与内圈接触处H2和内圈H4温升变化展的一个新逻辑阶段[冂].西安交通大学学报,2004,38最显著,运行速度对轴承温升的影响更大。温度最高(5):548-550值出现在H3,即滚子与轴承内圈接触处,因为圆锥滚[6 PEUSNER L. Studies in network thermodynamic [MAmsterdam: Elsevier, 1986子轴承内圈的转速最高,与滚子摩擦产生的热量最[7]黄东洋.热阻网络法在轴系温度场求解中的应用[多;温度最低值出现在主轴H。上,因为主轴有良好的西安交通大学学报,2012,46(5):63-66.热对流和热传导条件。良好的传热条件可以避免圆[8]何晓亮,熊万里,黄红武,高速精密主轴轴承热特性的锥滚子轴承过热甚至“抱轴”现象的发生。计算及分析[J].机械,2003,30(6):14-16的,,,,,,,,,,,,美国邦纳推出最新PLC以及两款安全控制器2015年4月21日至23日,第二十五届中国国际电子生产设程逻辑控制器。相比BSP第一代产品,BSP02具有更快的执行备暨微电子工业展( NEPCON China2015)将在上海世博展览馆速度、更多应用指令、更大的LO扩展,并支持直线插补、圆弧插补号馆举行。展会涵盖SMT表面贴装技术、表面焊接技术、电子测量功能,其计数器、数据寄存器数量是BsP的2倍,脉冲输出数量测试、电子制造自动化、防静电以及新材料等相关技术和产品。总亦是BsP01的2倍,高速计数器频率可达200kHz。该PLC还支持部位于美国明尼苏达州的全球顶尖自动化技术专家和整体解决方更多通信接口案提供者的美国邦纳公司,具有最为齐全的产品线,包括光电传感用在包装机械器、测量与检测产品、工业无线网络产品、视觉传感器等产品。是美国邦纳发HH中国煤化工太网等。可以广泛应领域。另外,SC26-2CNMHG代安全控制器产美国邦纳近期隆重推出新一代高速、高性能BSP02系列可编品,具有更高性价比、更小的安装尺寸,并增加了布尔逻辑功能。2015.03|机电一体化79