一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高铁轴承计算方法领域，具体是一种高铁轴承稳态温度场的有限元计 算方法。
【背景技术】
[0002] 高速列车轴箱轴承是高速铁路的重要基础零部件。与其他工业轴承相比，高速列 车轴箱轴承更强调安全性技术的研究。在高速、重载的工况下，温升及温度分布状态直接影 响着主轴-轴承系统的工作性能、使用寿命，乃至全车的安全运行。
[0003] 随着轴承材料的不断发展，高温下润滑剂的失效成了制约轴承使用寿命和稳定性 的瓶颈。热分析的地位日益凸显，但国内外相关研究却远不如静、动力学研究成熟。因而分 析高铁轴承的温度场对于高铁轴承的设计与研发有着重要意义。
[0004] 轴承高速运转下的摩擦热和温度分布计算十分复杂，一方面源于轴承的发热机 理很复杂，另一方面源于轴承的传热与散热过程不确定。国内外的相关文献较少，一般来说 常运用热流网络法或有限元法。Pouly和Nicolas等用热流网络法分析了轴承稳态温度分 布，但是热流网络法需要求解大量的方程，而且只能得到轴承温度的离散数据。有限元法 具有单元划分灵活、有限元模型和结构模型统一等特点，并可W求解出零件整体温度分布。 但是如果考虑油膜对轴承的影响，则必须先在流体分析软件如FL肥NT中模拟润滑剂的运 动特性之后再进行有限元分析，油膜的网格划分极易造成油膜穿透，巨大的计算量又无疑 增加了工作时间。此外，在利用有限元法对轴承温度场进行数值模拟的过程中，热源的求解 和分配方式、边界约束条件的定义等，是研究人员需要深入认识和解决好的几个关键问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，W解决现有技 术存在的问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] 一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于：包括W下步骤：
[000引 （1)、W高速铁路用双列圆锥滚子轴承为研究对象，在solidwork软件中建立二维 模型；
[0009] (2)、建立轴承系统热传递模型，根据高铁轴承的工况W及轴承系统参数，用热流 量代替轴承座、轴承、轴的散热，将轴承座、轴和油膜相对于轴承的对流散热系数加载于工 作表面，进而把轴承系统的温度场研究转化为对轴承组件的温度场研究；
[0010] (3)、根据轴承摩擦力矩来计算轴承发热量；
[0011] (4)、计算空气对流换热系数，轴与轴承的对流系数，润滑剂对流系数，轴承座外表 面的对流换热系数；
[0012] 巧）、计算外界散热量；
[0013] 化）、建立高铁轴承的有限元模型，并分配热源进行求解，得到稳态温度场的数值 仿真结果。
[0014] 所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于：步骤（2)中，轴 承系统的热传递模型为轴承座、外圈、圆锥滚子、内圈、空屯、轴、空气、油膜的热传递模型。
[0015] 所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于：步骤（3)中，轴 承发热量计算为：
[0016] HtDt=1.047X10-4nM，
[0017]其中，n为转速，M=Mr+Ma+Mv，
[0018] Mr为只有径向载荷的摩擦力矩，计算公式为：
[0019] Mr= 3. 35X10-6G(nv0)1/2 (ftFr/K) 1/3，
[0020] M。为轴向载荷的摩擦力矩，计算公式为：
[002UMa= 3. 35X10 -6g(nV0)i/3Fai/3，
[0022] Mv为润滑剂引起的粘性摩擦力矩，计算公式为：
[002引Af,.=2xl(r-./;,的"):''<
[0024] 其中，G为滑动摩擦变量，n为转速，V。为工作温度下润滑剂运动粘度，ft为摩擦 系数，Ft为径向载荷大小，K为轴承类型常数，F。为轴向载荷大小，f。为摩擦系数，dm为轴承 的平均直径；
[0025] 所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于；步骤巧）中，外 界散热量计算公式为：
[0026] Q =231入1At/In化/di)，
[0027] 其中，入为材料的热导率，1为轴承座长度，At为温度变化量，d2为轴承座外径； 中为轴承座内经。
[002引所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于；步骤化）中，高 铁轴承的有限元模型采用自由网格划分，滚子与内外圈之间的接触区域局部加密，滚子与 内外圈之间的发热部分采用面载荷，边界条件为热对流，内外圈散热采用负的热流量。
[0029] 所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于；步骤化）中，热 源分配方式为；W滚子和内外圈为热源但温度不同的加载方式，但将热量不均匀的分配于 轴承滚子与内外圈，且两处接触区域的热量高于未接触的区域。
[0030] 本发明与传统的热流网络法相比，避免了大量的方程求解，且能够得到整体稳定 分布情况，为高铁轴承的优化设计提供了依据。
【附图说明】
[0031] 图1为高速铁路用双列圆锥滚子轴承二维模型。
[0032]图2为轴承系统热传递模型。
【具体实施方式】
[0033] 一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，【具体实施方式】包括W下步骤：
[0034] (1)、W高速铁路用双列圆锥滚子轴承为研究对象，在solidwork软件中建立二维 模型，如附图1所示。
[0035] (2)、建立轴承系统热传递模型，如附图2所示，主要包括轴承座、外圈、圆锥滚子、 内圈、空屯、轴、空气、油膜等，根据高铁轴承的工况w及轴承系统参数，用热流量代替轴承 座、轴承、轴的散热，将轴承座、轴和油膜相对于轴承的对流散热系数加载于工作表面，进而 把轴承系统的温度场研究转化为对轴承组件的温度场研究。
[0036] (3)、根据轴承摩擦力矩来计算轴承发热量；轴承发热量计算为：
[0037] Ht〇t=1.047X10 -4nM，
[00測 其中，n为转速，M=Mr+Ma+Mv，
[0039]Mr为只有径向载荷的摩擦力矩，计算公式为：
[0040] Mr= 3. 35 X 10 -6g (n V0) 1/2 (ftFr/K) 1/3，
[0041]M。为轴向载荷的摩擦力矩，计算公式为：
[0042] Ma=3. 35X 10 -6g (nV0) i/3Fai/3，
[0043]Mv为润滑剂引起的粘性摩擦力矩，计算公式为：
[0044] ,W, =2x10-?
[0045] 其中，G为滑动摩擦变量，n为转速，V。为工作温度下润滑剂运动粘度，ft为摩擦 系数，Ft为径向载荷大小，K为轴承类型常数，F。为轴向载荷大小，f。为摩擦系数，dm为轴承 的平均直径；
[0046] (4)、计算空气对流换热系数，轴与轴承的对流系数，润滑剂对流系数，轴承座外表 面的对流换热系数；
[0047] 巧）、计算外界散热量，计算公式为：
[0048] Q= 231入lAt/In化Ml),其中，入为材料的热导率，1为轴承座长度，At为温度 变化量，d2为轴承座外径；d1为轴承座内经。
[0049] 化）、建立高铁轴承的有限元模型，并分配热源进行求解，得到稳态温度场的数值 仿真结果。
[0化0] 其中，高铁轴承的有限元模型采用自由网格划分，滚子与内外圈之间的接触区域 局部加密，滚子与内外圈之间的发热部分采用面载荷，边界条件为热对流，内外圈散热采用 负的热流量；
[0051] 热源分配方式为；W滚子和内外圈为热源但温度不同的加载方式，但将热量不均 匀的分配于轴承滚子与内外圈，且两处接触区域的热量高于未接触的区域。
【主权项】
1. 一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于：包括以下步骤： (1) 、以高速铁路用双列圆锥滚子轴承为研宄对象，在solidwork软件中建立二维模 型； (2) 、建立轴承系统热传递模型，根据高铁轴承的工况以及轴承系统参数，用热流量代 替轴承座、轴承、轴的散热，将轴承座、轴和油膜相对于轴承的对流散热系数加载于工作表 面，进而把轴承系统的温度场研宄转化为对轴承组件的温度场研宄； (3) 、根据轴承摩擦力矩来计算轴承发热量； (4) 、计算空气对流换热系数，轴与轴承的对流系数，润滑剂对流系数，轴承座外表面的 对流换热系数； (5) 、计算外界散热量； (6)、建立高铁轴承的有限元模型，并分配热源进行求解，得到稳态温度场的数值仿真 结果。2. 根据权利要求1所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于： 步骤（2)中，轴承系统的热传递模型为轴承座、外圈、圆锥滚子、内圈、空心轴、空气、油膜的 热传递模型。3. 根据权利要求1所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于： 步骤（3)中，轴承发热量计算为： Htot= I. 047Xl(T4nM， 其中，n为转速，M = Mr+Ma+Mv，Mr为只有径向载荷的摩擦力矩，M a为轴向载荷的摩擦力 矩，Mv为润滑剂引起的粘性摩擦力矩。4. 根据权利要求1所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于： 步骤（5)中，外界散热量计算公式为： Q = 2jt入 IA t/In ((I2Zd1)， 其中，A为材料的热导率，1为轴承座长度，A t为温度变化量，(12为轴承座外径；d :为 轴承座内经。5. 根据权利要求1所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于： 步骤（6)中，高铁轴承的有限元模型采用自由网格划分，滚子与内外圈之间的接触区域局 部加密，滚子与内外圈之间的发热部分采用面载荷，边界条件为热对流，内外圈散热采用负 的热流量。6. 根据权利要求1所述的一种高铁轴承稳态温度场的有限元计算方法，其特征在于： 步骤（6)中，热源分配方式为：以滚子和内外圈为热源但温度不同的加载方式，但将热量不 均匀的分配于轴承滚子与内外圈，且两处接触区域的热量高于未接触的区域。
【专利摘要】本发明公开了一种高铁轴承稳态温度场的计算方法，首先以高速铁路用双列圆锥滚子轴承为研究对象，在solidwork软件中建立二维模型。其次建立轴承系统热传递模型，根据高铁轴承的工况以及轴承系统参数，用热流量代替轴承座、轴承、轴的散热，将轴承座、轴和油膜相对于轴承的对流散热系数加载于工作表面，进而把轴承系统的温度场研究转化为对轴承组件的温度场研究。然后根据轴承摩擦力矩来计算轴承发热量。接着计算空气对流换热系数，轴与轴承的对流系数，润滑剂对流系数，轴承座外表面的对流换热系数。然后计算外界散热量。最后建立高铁轴承的有限元模型,并分配热源。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104965946
【申请号】CN201510366935
【发明人】徐娟, 张建军, 陈时桢, 贾志远, 张利
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年6月26日