滚动轴承油气润滑及喷油润滑温度场对比研究.pdf

2 0 1 4年 2月 第 3 9卷 第 2期 润滑与密封 LUBRI CATI ON ENGI NEERI NG F e b ． 2 01 4 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 滚动轴承油气润滑及 喷油润 滑温度场对 比研究 王跃飞孙启国 吕洪波 北方工业大学机电工程学院北京 1 0 0 1 4 4 摘要分析滚动轴承内部生热机制，计算不同转速下油气润滑和喷油润滑的轴承滚道表面对流换热系数 ；应用 Wo r k b e n c h流场分析模块，建立滚动轴承流体域几何模型 ，对不同转速下滚动轴承油气润滑和喷油润滑时轴承腔热流耦 合温度场进行仿真分析。结果表明，当轴承转速较低时，油气润滑和喷油润滑时轴承腔最高温度基本相同，但油气润滑 条件下轴承腔的整体温度远远低于喷油润滑方式；当轴承转速较高时，油气润滑条件下的轴承腔最高温度要远远低于喷 油润滑条件下的轴承腔最高温度，从而验证了高速工况下油气润滑的优越性。 关键词油气润滑；喷油润滑；滚动轴承；热流耦合 中图分类号T H I 1 7 ． 1 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 2 0 6 6 5 Co mpa r i n g St ud y o n Te mp e r a t u r e Fi e l d o f Ro l l i ng Be a r i n g u n de r Oi l ． a i r Lu br i c a t i o n a nd S p r a y Lu br i c a t i o n W a n g Yu e f e i Su n Qi g u o L v Ho n g b o C o l l e g e o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h e a t g e n e r a t i n g me c h a n i s m i n s i d e t h e c a v i t y o f t h e r o l l i n g b e a r i n g wa s a n a l y z e d a n d t h e c o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r c o e ffi c i e n t o f t h e b e a r i n g r a c e wa y s u r f a c e i n d i f f e r e n t r o t a t i o n s p e e d wa s c a l c u l a t e d u n d e r o i l a i r l u b ric a t i o n a n d s p r a y l u b ric a t i o n ． Th e flu i d d o ma i n g e o me t r y mo d e l o f t h e d e e p g r o o v e b a l l b e a r i n g S KF 6 2 0 8 wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e fl o w fie l d mo d u l e i n Wo r k b e n c h ． T h e t e mp e r a t u r e fi e l d i n t h e c a v i t y o f r o l l i n g b e a r i n g u n d e r o i l a i r l u b ric a t i o n a n d s p r a y l u b r i c a t i o n wa s s i mu l a t e d i n d i ffe r e n t r o t a t i o n s pe e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ， a t l o we r b e a r i n g r o t a t i o n a l s p e e d， t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e i n t h e b e a rin g c a v i t y u n d e r o i l a i r l u b r i c a t i o n i s a l mo s t t h e s a me a s t h a t u n d e r s p r a y l u b r i c a t i o n， b u t t h e wh o l e t e mp e r a t u r e i n t h e b e ari n g c a v i t y u n d e r o i l a i r l u b ric a t i o n i s l o we r t h a n t h a t u n d e r s p r a y l u b ric a t i o n ． At h i g h e r b e a tin g r o t a t i o n a l s p e e d， t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e i n t h e b e a rin g c a v i t y u n d e r o i l a i r l u b r i c a t i o n i s f a r l o we r t h a n t h a t u n d e r s p r a y l u b ric a t i o n ． Th o s e c o n c l u s i o n s v e r i f y t h e a d v a n t a g e s o f o i l a i r l u b r i c a t i o n i n h i【 g h r o t a t i o n s p e e d ． Ke y wo r d s o i l a i r l u b ric a t i o n； s p r a y l u b ric a t i o n； r o l l i n g b e a r i n g； h e a t fl o w c o u p l i n g 滚动轴承的使用寿命不仅仅与轴承的材料及加工 工艺有关 ，而且与轴承所承载的载荷、轴承的工作温 度有着很大的关系。润滑的 目的就是在轴承的接触表 面建立一层可靠的油膜，减少摩擦磨损，降低轴承温 升，从而在相同的工况下延长轴承的使用寿命。传统 的滚动轴承在高转速的情况下多采用喷油润滑。喷油 润滑能使润滑油充分地进入轴承的运动部位及工作表 面，能够贯穿轴承的内部起到积极的冷却作用⋯。目前 喷油润滑也是工业中应用较为广泛的一种润滑方式 。 近几年来高速轴承已经开始趋向于微量、精确地 基 金项 目北京 市 属高 等学 校人 才强 教计划 项 目 P H R 2 0 1 1 0 7 1 0 9 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 1 9 作者简介 王跃飞 1 9 8 9 一 ，男 ，硕士，研究方向为油气润滑 技 术 ．E ma i l w y f d c b a 1 2 6 ． c o m． 润滑。油气润滑就是一种微量润滑方式。这种润滑方 式是以高速气体带动润滑油形成气液两相环状流进入 需要润滑的设备，油液定量、精确供给，油膜承载能 力高，同时高速气体穿过轴承腔进行强制热交换 ，带 走轴承腔中的热量，起到了积极的冷却作用 。目 前国内对于油气润滑的理论机制研究 已经比较成熟， 但是对于油气润滑应用于实际工况，特别是对于滚动 轴承，系统研究轴承腔温度分布方面的研究还比较少。 陕西科技大学的韩功波等 对于高速纸机轴承进行了 温度场的研究，他侧重于分析空气进口速度，确定了 油气润滑应用于滚动轴承的最佳供气；华东理工大学 的巩彬彬等 对于油气润滑应用于滚动轴承做了许多 试验研究 ，分析确定了喷嘴位置对于轴 承温升的影响 。 本文作者拟就 S K F 6 2 0 8滚动轴承，合理设计适 合于油气润滑的边界条件 ，在相同条件下，对比了油 气润滑与传统的喷油润滑在控制轴承温升方面的不同 2 0 1 4年第 2期 王跃飞等滚动轴承油气润滑及喷油润滑温度场对比研究 6 7 特点 ，研究分析了滚动轴承在油气润滑条件下轴承腔 内部的温度分布特点。 1 轴承 生热分析 1 ． 1 轴承生热分析 轴承系统的温升主要来 自于轴承座腔体吸收外界 热量和轴承 自身摩擦生热 ，在实验室条件下 ，环境温 度一般保持不变 ，且轴承工作温度会高于环境温度 ， 所以滚动轴承的温升主要来 自组件的机械损耗，即滚 动体与内外圈和保持架的摩擦损耗 ，以及轴承高速旋 转过程中搅动润滑油黏性损耗 。轴承内部生热和温 度分布相对较为复杂，瑞典工程师 P a l m g r e n通过大 量的摩擦力矩测量和公式推导 ，分析得到轴承内部摩 擦生热主要 由黏性力矩 和摩擦力矩 产生 。 轴承摩擦力矩计算公式为 M2 1 0 一 f o 。 n d d 1 式中 为轴承工作温度下润滑油的运动黏度 ；n为 轴承转速 ；d 为轴承节圆直径；对于深沟球轴承 f o 0 ． 8 0 ． 0 0 0 9 P o ／ C 。 “ 2 其中，径向当量静载荷 P 。 F ；C 。 为基本额定 静载荷 ，C 。 fi Z D c o s ，对于深沟球轴承来说 ，仅 0 ， ， 1 3 ，i 1 ， 为轴承滚动体个数；F 取决于轴 承摩擦力矩的计算载荷 ，对于深沟球轴承，可按下式 计算 1 ． 4 F 一 0 ． I F 3 其中， 为轴向载荷 ；F r 为径向载荷。 轴承内部发热量可由下式计算 N f 1 0 Mn ／ 3 0 4 在高速滚动轴承中，滚珠的转速非常高，所以可 以假设每个滚珠发热量相同，将滚动体等效为一个半 径为 d ／ 2的实心圆环 ，圆环面为以滚动体直径 D 为 直径的圆面 ，所以轴承的生热率可以由下式得出 N g 盯 x 0 ． 0 0 1 d 0 ． 0 0 1 0 b ／ 2 2 ． 51 0 。 1 T d D 5 1 ． 2轴承表 面对 流换 热 系数 高 值轴承在油润滑条件下的热分析采用前苏联 捷米道维奇 提出的球轴承功率损失计算方法，应用 Wo r k b e n c h中流场分析模块对轴承腔进行热仿真计算。 润滑油与轴承内部的强迫对流换热系数为 f 0 ． 0 9 8 6 n 1 D b c o s a ／ d m ／ v ／ 2 k P r ／ 3 6 式中n为轴承转速；D 为滚动体直径 ； 为轴承接 触角 ，对于深沟球轴承， 取 0 ；d 为轴承节圆直 径 ；P r 为普朗特数 ； 为平均流速；k为热导率。 油气润滑条件下，主要的热交换流体为高速气 体 。当轴承转速为 3 0 0 0 r ／ m i n时，由公式 6 计 算得出对流换热系数为 8 3 ． 8 5 w／ m q C ；当轴承 转速为 6 0 0 0 r ／ mi n时，对 流 换 热 系数 为 1 1 1 ． 1 0 W／ m ℃ ；当轴承转 速为 8 0 0 0 r ／ m i n时，对 流 换热系数为 1 3 6 ． 8 2 W／ m o C 。 油润滑条件下，主要的热交换流体为润滑剂。当 轴承转速 n 3 0 0 0 r ／ m i n时，由公式 6 计算得换热 系数为 1 2 9 6 W／ m c I ；当轴承转速 n 6 0 0 0 r ／ m i n 时，计算得出换热系数为 1 5 8 8 W／ m 2 o C ；当轴承转 速 n 8 0 0 0 r ／ ra i n时，换热系数为2 0 6 6 W／ m 2 o C 。 2 轴承腔模 型的建立及 简化 物理模型采用 S K F 6 2 0 8深沟球轴承，该轴承为 典型 的滚动球轴承 ，适用于多种工况 ，理论上在油润 滑条件下最高转数可以达到 1 0 0 0 0 r ／ m i n ，轴承的具 体参数如表 1 所示。 表 1 S K F 6 2 0 8轴承参数 Ta b l e 1 P a r a me t e o f S KF 6 2 0 8 轴承宽度 B ／ m m 滚动体直径 D ／ m m 轴承内径 D ， ／ m m 轴承外径 D 。 ／ m m 滚动体个数 z 1 8 l 1 ． 2 4 0 8 0 1 4 本文计算的区域是轴承腔的流体域 ，如图 1所 示，为了便于更好地计算，方便轴承腔流体域的网格 划分，对轴承进行了如下的设定 1 油气的进口和出口都在轴承的一侧； 2 轴承腔 良好密封，油气只由进 口进入 ，由 出口排 出； 3 轴承内外圈与滚珠之 间存在 0 ． 5 m m 的缝 隙，便于画出轴承腔流体域的有限元网格。 0 O a 轴承腔整体 b 轴承腔内部 图 1 轴承腔流体域 F i g l F 1 u i d d o ma i n o f t h e b e a nn g c a v i t y 油气润滑喷嘴分为油进 口和气进 口，这样的设计 保证进入轴承腔的是高速气体带动的环状流润滑液。 环状 流进 口如图 2所示 。 7 0 润滑与密封 第 3 9卷 图 l 0示出了不同润滑方式下轴承腔最高温度曲 线 。比较油气润滑和喷油润滑下的轴 承腔温度分布 云 图可以看到，油气润滑条件下的轴承腔最高温度相对 较低 ，而且 随着轴承转速的提高 ，轴承腔最 高温度增 加 幅度很小 ，高温 区域离散分布在滚珠与壁 面接触 的 部位 ；而且油气润滑条件下，轴承腔的整体温度要远 远低于最高温度。这是由于油气润滑条件下 ，润滑油 精确供给，腔体内油液含量很少，集中在滚珠与壁面 接触的部位。油液的搅动发热比空气大，但是导热系 数要远远低于空气。所以油气润滑条件下 ，轴承腔内 的高温区离散的分布在滚珠与壁面接触的部位。由于 轴承腔内油液非常少，随着轴承转速的提高 ，油液的 搅动生热增加也很少，再加上高速气体强制对流换 热，所以轴承腔的最高温度随着轴承转速的提高增幅 很小，同时轴承腔 的整体温度越要远远低于最高温 度 。而喷油润滑条件下 的轴承腔充满 了油液 ，轴承 的 润滑与冷却全部由润滑油来完成 ，而油液的导热系数 远远低于空气，穿过轴承腔的速度也远远低于空气， 所以喷油润滑条件下的轴承腔最高温度较高 ，而且轴 承腔整体温度与最高温度相差不大。 60 40 20 00 80 60 40 20 0 图 1 O 轴承腔最高温度曲线 F i g 1 0 Cu r v e s o f t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e o f be a rin g c a v i t y 在一般转速下 ，轴承 的生热量相对较少 ，油气润 滑条件下轴承腔的最高温度与传统的喷油润滑基本一 致。但是油气润滑条件下轴承腔的整体温度远远低于 传统的润滑方式。在高转速 的条件下，采用油气润 滑 ，轴承腔的最高温度要远远低于采用传统的稀油润 滑方式 ，同时，油气润滑条件下的轴承腔整体温度也 要远远低 于传统 的喷油润滑 。 4 结论 1 在油气润滑条件下，轴承腔最高温度较低， 而且随着轴承转速的提高，轴承腔最高温度增加幅度 很小，高温区域离散分布在滚珠与壁面接触的部位， 且轴承腔除壁面外其他区域的温度要远远低于轴承腔 的最 高温度 。 2 在喷油润滑条件下，轴承腔最高温度较高， 而且轴承腔整体 温度与最 高温度相差不大 ，高温 区域 集中在轴承的内外滚道及滚珠壁面附近 ，且壁面高温 区为连续区域 ，轴承腔流体域除壁面及喷嘴外其他区 域 的温度 略低 于轴承腔最高温度 。 3 在一般转速下，油气润滑条件下轴承腔的最 高温度与传统 的喷油 润滑基 本一致 ，但是 油气 润滑条 件下轴承腔的整体温度远远低于传统的润滑方式；在 高转速下，采用油气润滑时轴承腔的最高温度要远远 低于采用传统的稀油润滑方式，同时，油气润滑条件 下的轴承腔整体温度也要远远低于传统的喷油润滑。 参考文献 【 1 】闫通 海， 何 立东． 气液两相 流体冷却 润滑技 术及其 应用 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 2 】吕先起， 尹世霞． 高速齿轮的润滑方法 [ J ] ． 山东工业大学学 报 ， 1 9 9 6 2 1 8 5 1 8 8 ． L v X i a n q i ， Y i n S h i x i a ． L u b r i c a t i o n o f h i g h s p e e d g e a r [ J ] ． J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 6 2 1 8 51 8 8 ． 【 3 】赵孟一． 油气润滑系统水平管内环状流形成机理研究[ D] ． 秦皇岛 燕山大学机械工程学院， 2 0 1 1 ． 【 4 】李志宏， 孙启国， 吕洪波． 油气润滑系统水平管路中环状流的 形成过程及特性研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 1 2 ， 3 7 7 4 9 5 2 ． L i Z h i h o n g ， S u n Q i g u o ， L v H o n g b o ． T h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e s h a p i n g p r o c e s s o f t h e a n n u l a r f l o w i n t h e h o riz o n t a l p i p e o f t h e o i l g a s l u b ri c a t i o n s y s t e m [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 3 7 7 4 95 2 ． 【 5 】韩功波， 张峰． 油气润滑状态下纸机轴承的温度场及供气速 度优化[ J ] ． 黑龙江造纸， 2 0 1 1 4 4 0 4 3 ． Ha n Go n g b o， Z ha n g F e n g ． Pa p e r ma c h i n e b e a tin g ’ S t e mp e r a t u r e a n d a i r s p e e d o p t i m i z a t i o n u n d e r a i r 一 0 i l l u b ri c a t i o n [ J ] ． H e i l o n i a n g P u l p＆ P a p e r ， 2 0 1 1 4 4 04 3 ． 【 6 】巩彬彬， 张俊国， 王建文， 等． 油气进口位置和进气量对油气 润滑滚动轴承性能影响 的研究 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 1 6 51 6 7 ． Go n g B i n b i n， Z h a n g J u n g u o ， Wa n g J i a n w e n ， e t a 1 ． S t u d y o n t h e i n flu e n c e s o f t h e a i r flo w r a t e a n d f e e d i n g p o s i t i o n o n t h e l u b r i c a t i o n o f r o l l i n g b e a ri n g [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 1 6 51 6 7 ． 【 7 】牛鹏． 滚动轴承油气两相流润滑特性研究[ D ] ． 北京 北方 工业大学机电工程学院， 2 0 1 2 ． 【 8 】万长森． 滚动轴承的分析方法[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 7． 【 9 】B o s s m a n n s B e r n d ， T u J a y F ． A t h e r m a l m o d e l f o r h i g h s p e e d m o t o r i z e d s p i n d l e s [ J ] ． M a c h i n e T o o l s＆ M a n u f a c t u r e ， 1 9 9 9 ， 3 9 1 3 451 3 6 6． 【 1 0 】张俊国， 巩彬彬， 王建文， 等． 油气润滑滚动轴承最佳供油 量试验研究 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 0 1 6 8 1 7 0 ． Z h a n g J u n g u o ， G o n g B i n b i n ， Wa n g J i a n w e n， e t a 1 ． S t u d y o n t h e o p t i mu m o i l f e e di n g f o r t h e r o l l i n g b e a rin g l u b ric a t e d wi t h o i l a i r [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 0 1 6 8 1 7 0 ． 【 1 1 】李志宏， 孙启国， 吕洪波． 油气润滑系统水平管路中环状流的 形成过程及特胜 研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 1 2 ， 3 7 7 4 9 5 2 ． L i Z h i h o n g ， S u n Q i g u o ， L v H o n g b o ． T h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d t h e s h a p i n g pr o c e s s o f t h e a n n u l a r fl o w i n t h e h o riz o n t a l pi p e o f t h e o i l g a s l u b ri c a t i o n s y s t e m [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 3 7 7 4 95 2 ．