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        幾種常用軸承材料的熱彈流潤滑性能分析

        2014-07-22 05:28:40盧憲玖王優(yōu)強律輝劉昺麗
        軸承 2014年7期

        盧憲玖,王優(yōu)強,律輝,劉昺麗

        (青島理工大學 機械工程學院,山東 青島 266033)

        通常,軸承的主要失效形式有在交變應力作用下的疲勞剝落、摩擦磨損導致的軸承精度喪失、裂紋、壓痕、銹蝕等。其中,防止軸承失效的措施之一就是改善其潤滑狀況,盡量避免滾動體與套圈直接接觸。文獻[1]研究了推力球軸承鋼球與溝道間形成的橢圓接觸等溫彈流潤滑問題,運用多重網(wǎng)格法求得了完全數(shù)值解,分析了轉(zhuǎn)速、中心距、橢圓比等參數(shù)對結果的影響。文獻 [2]建立了陶瓷球軸承的熱彈流潤滑數(shù)學模型,得到了陶瓷球軸承的熱彈流潤滑完全數(shù)值解。長期以來的研究主要針對單一金屬零件的潤滑進行,對幾種軸承材料進行彈流潤滑對比分析的研究并不多見。通過對下文幾種常見軸承材料的熱彈流潤滑狀況進行數(shù)值求解,以獲得各材料的潤滑特性,為不同工況用軸承的選材提供參考。

        1 模型、參數(shù)及運動學方程

        1.1 數(shù)學模型

        角接觸球軸承內(nèi)圈與球接觸的幾何模型如圖1所示。軸承所有零件均由同種材料制造,以角接觸球軸承內(nèi)、外圈為例,將球與外圈彈流潤滑模型簡化為彈性點接觸問題,根據(jù)點接觸彈流潤滑理論,建立圖2所示的橢球體-平面等效模型[3]。

        圖1 球與內(nèi)圈接觸的幾何模型

        圖2 橢球體-平面模型

        1.2 參數(shù)

        所選用的7314型角接觸球軸承基本參數(shù)見表1。4種軸承材料的基本參數(shù)見表2。所采用潤滑油的各項基本參數(shù)見表3。

        表1 角接觸球軸承基本參數(shù)

        表2 4種軸承材料的基本參數(shù)

        表3 潤滑油的基本參數(shù)

        1.3 運動學方程

        接觸點的主曲率半徑Ri,j:球體R11=R12=Dw/2=10 mm;內(nèi)溝道R21=ri=fiDw,R22=Ri=[Dpw-Dwcosα]/2cosα。

        yz平面內(nèi),等效半徑Ry=R11R21/(R21-R11),xz平面內(nèi),等效半徑Rx=(R12R22)/(R21+R22),其中Rx和Ry為圖2所示橢球體在x和y方向的綜合曲率半徑。

        軸的轉(zhuǎn)速取1 000 r/min,此轉(zhuǎn)速即為軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速ni,由此可得軸承內(nèi)圈與球接觸處的切向速度為ui=2πRini。由滑滾比與內(nèi)圈和球之間的關系可得接觸處球的速度ub,不考慮角接觸球軸承中球的自旋,可得內(nèi)圈與球之間的卷吸速度為

        uR=(2πRini+ub)/2。

        2 熱彈流潤滑方程

        2.1 Reynolds方程

        考慮熱效應的Reynolds方程[4]為

        (1)

        式中:ρ為潤滑劑的密度,kg/m3;η為等效黏度,Pa·s;h為潤滑膜膜厚,mm;p為潤滑膜壓力,MPa;x,y為接觸區(qū)的坐標;u1,u2分別為球與軸承內(nèi)圈的線速度,m/s;z為沿油膜厚度方向的坐標。

        2.1.1 密壓密溫關系式

        在給出的Reynolds方程中,密度采用Dowson和Higginson[5]提出的密壓密溫方程計算,即

        T0)] ,

        (2)

        式中:ρ0為環(huán)境密度;T為實際溫度;T0為環(huán)境溫度,取313 K。

        2.1.2 黏壓黏溫關系式

        潤滑劑的黏壓關系采用Roelands經(jīng)驗公式,用國際單位制可以表示為

        η=η0exp[A1-1+(1+A2p)z0(A3T-

        A4)-S0],

        (3)

        A1=lnη0+9.67,A2=5.1×10-9pH,A3=1/(T0-138),A4=138/(T0-138),S0=β(T0-138)/(lnη0+9.67),z0=α/[(lnη0+9.67)·

        (5.1×10-9pH)],

        式中:η0為潤滑油的環(huán)境黏度,Pa·s;β為Reynolds黏溫關系中的系數(shù);pH為最大Hertz應力。

        2.1.3 載荷方程

        軸承溝道表面所承受的載荷必須與外載荷平衡,其值在計算中應滿足

        ?p(x,y)dxdy=W,

        (4)

        式中:W為球承受的載荷,初始載荷取為100 N,依次取300,500,700和900 N,最大取到1 000 N。

        2.2 膜厚方程

        (5)

        式中:h0為中心膜厚,mm;Rx,Ry分別為圖2所示橢球體在x,y方向的綜合曲率半徑,mm;E′為兩固體的等效彈性模量;Ea,Eb分別為球和內(nèi)圈的彈性模量,GPa;νa,νb分別為球和內(nèi)圈的泊松比。

        2.3 油膜能量方程

        不考慮體積力和熱輻射的影響,并忽略沿x和y方向的熱傳導,潤滑油膜的能量方程為

        (6)

        式中:cf為潤滑油比熱容,J/(kg·K);kf為潤滑油的傳熱系數(shù),W/(m2·K);u,v分別為潤滑油沿x,y方向的流速,m/s。

        在油膜入口處非逆流區(qū),油膜能量方程的邊界條件為t(xin,y,z) =t0,而在入口處逆流區(qū)及計算域的其他3個出口邊界上均不需要邊界條件。

        2.4 內(nèi)圈及球的能量方程

        固體熱傳導方程也要考慮y方向的對流換熱,故軸承內(nèi)圈溝道的能量方程為

        (7)

        球的能量方程為

        (8)

        式中:ci,cb分別為內(nèi)圈與球的比熱容,J/(kg·K);ρi,ρb分別為內(nèi)圈與球的密度,kg/m3;ki,kb分別為內(nèi)圈與球的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

        軸承內(nèi)圈溝道導熱方程的邊界條件為

        t(xin,y,zi)=t0,t(x,y,-d)=t0;

        球?qū)岱匠痰倪吔鐥l件為

        t(xin,y,zb)=t0,t(x,y,d)=t0。

        3 數(shù)值方法

        將以上方程進行無量綱化:

        接觸應力計算采用多重網(wǎng)格法,由接觸應力引起的表面彈性變形用多重網(wǎng)格積分法求解,溫度求解采用逐列掃描法。其中網(wǎng)格共分5層,最高層上網(wǎng)格沿x和y方向的節(jié)點數(shù)均為257,油膜內(nèi)溫度梯度大,使用等距網(wǎng)格,節(jié)點數(shù)為10;固體內(nèi)靠近固液界面處溫度梯度大,遠離固液界面處溫度變化趨于平緩,故使用不等距網(wǎng)格,網(wǎng)格間距為等比數(shù)列,兩固體內(nèi)節(jié)點數(shù)都為6。當接觸應力和載荷的相對誤差小于1×10-3,溫度的相對誤差小于1×10-4時,迭代結束。

        4 結果分析與討論

        在y=0截面上所得到的接觸應力分布如圖3所示,無論是從整體還是二次接觸應力峰來看,GCr15和9Cr18的接觸應力分布都非常接近。在二次接觸應力峰處,ZrO2的接觸應力最小, Si3N4的接觸應力值最大,其余2種除了二次接觸應力峰處整體接觸應力值相差不大。由圖4可以看出,在膜厚分布上4種軸承材料均表現(xiàn)出明顯的油膜頸縮現(xiàn)象,從整體膜厚和最小膜厚來看,Si3N4的膜厚均最大,而ZrO2,GCr15,9Cr18的膜厚均較小,從油膜形成情況看Si3N4的潤滑效果較好。

        圖3 橫向中心截面上的接觸應力分布

        圖4 橫向中心截面上的膜厚分布

        4種材料對應的內(nèi)圈、潤滑油和球的溫度分布如圖5~圖7所示。

        圖5 軸承內(nèi)圈的溫度分布

        圖6 油膜中層潤滑油的溫度分布

        圖7 球的溫度分布

        因Si3N4傳熱系數(shù)較小,散熱性能較差,雖然內(nèi)圈的速度較高,較有利于散熱,但最高溫度及其溫升也相應較高,最高溫度達110 ℃;其次是ZrO2,為90 ℃;GCr15和9Cr18溫度基本相同,最高溫度均為76 ℃。雖然GCr15和9Cr18內(nèi)圈的溫升較低,但與其對應的潤滑油溫升卻較大,油膜中層潤滑油的最高溫度達100 ℃。與兩者相比,Si3N4對應的油膜中層潤滑油的溫升則較小,與ZrO2對應的油膜中層潤滑油溫升最小。由于球的轉(zhuǎn)速較小,散熱效果明顯不如內(nèi)圈,Si3N4的溫升高達85 ℃,ZrO2溫升則為65 ℃,兩者均出現(xiàn)與接觸應力對應的溫度二次峰值,而GCr15和9Cr18則沒有這一特點。

        最小膜厚隨載荷的變化情況如圖8所示。可明顯看出,隨載荷的增大,最小膜厚明顯減小。在250 N之前GCr15的潤滑情況最好,Si3N4,9Cr18和ZrO2略差,但最小膜厚值相差不大;載荷大于250 N時,GCr15的膜厚值迅速減小,與9Cr18和ZrO2的最小膜厚基本一致;300 N之后,4種軸承材料的最小膜厚值變化均趨于平緩,穩(wěn)定后Si3N4的膜厚值最大,明顯優(yōu)于其他3種軸承材料。

        圖8 最小膜厚隨載荷的變化

        最小膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化如圖9所示,隨著內(nèi)圈轉(zhuǎn)速的增加,最小膜厚均明顯增大。

        圖9 最小膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化

        從整體來看,Si3N4的最小膜厚最大,隨著轉(zhuǎn)速的增加,變化趨于平緩;在轉(zhuǎn)速低于2 000 r/min時,其余3種材料最小膜厚相差不大,在轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min時,GCr15和9Cr18對應的最小膜厚均明顯高于ZrO2,表現(xiàn)出良好的潤滑效果。

        5 結論

        (1)4種材料中Si3N4的二次接觸應力峰值較小,整體膜厚值較大,潤滑效果最好,但散熱較差,相同工況下產(chǎn)生的熱量較多。

        (2)載荷不大的工況下,GCr15具有比另外3種材料更好的潤滑性能;而當載荷和轉(zhuǎn)速變化時,Si3N4顯示出穩(wěn)定且良好的潤滑性能。

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