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0 引言

軸承作為重要的支承結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)中廣泛應(yīng)用。軸承根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同可以分為滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承因其結(jié)構(gòu)簡單、潤滑簡便、摩擦力小、使用壽命長等特點，在眾多工業(yè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。

軸承在使用過程中常見的失效形式有生銹、腐蝕、磨損、燒傷等[1]，由于負荷過大、部件摩擦、散熱不佳、潤滑不良、配合不當?shù)纫蛩厥沟幂S承在運轉(zhuǎn)過程中溫度升高，高溫不僅影響軸承本身的性能，也會影響相關(guān)結(jié)構(gòu)（如軸、旋轉(zhuǎn)件等）的配合精度，進而影響整體結(jié)構(gòu)的功能。

托壓索輪在客運索道線路中大量使用，每個索輪中都使用了兩個深溝球軸承。由圖1可知，索輪結(jié)構(gòu)較為封閉，夾板、端蓋等結(jié)構(gòu)影響了外界空氣與軸承的對流散熱，隔套、輪體等結(jié)構(gòu)的存在也在一定程度上影響了熱量在金屬件間的傳導(dǎo)，軸承兩側(cè)有橡膠密封圈，也阻礙了軸承內(nèi)部熱量向外擴散，輪體中未設(shè)置其他通風(fēng)或散熱孔，這些因素都導(dǎo)致軸承散熱條件不佳。

圖1 托索輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

軸承在輪體內(nèi)打滑的現(xiàn)象在使用過程中時有發(fā)生。造成這種現(xiàn)象的原因通常有配合選取不當、加工精度不高、結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)變形等。由于軸承在輪體中所處的環(huán)境較為封閉，散熱條件不佳，在較長時間高速運轉(zhuǎn)后，溫度不可避免地會升高，在載荷和溫度的雙重作用下，也會影響相關(guān)結(jié)構(gòu)的配合精度，進而影響運行質(zhì)量。

本文通過對軸承摩擦力矩的計算，得到軸承的發(fā)熱量，計算軸承的最高溫度，并進一步分析軸承溫升的影響因素，為合理選取設(shè)計參數(shù)提供參考。

1 滾動軸承的摩擦計算與溫升

軸承的工作溫度是由發(fā)熱量和散熱量的平衡決定的。通常軸承的溫度在運轉(zhuǎn)初期會快速上升，待達到熱平衡后溫度才會逐漸穩(wěn)定。

軸承溫度受到眾多因素的影響，如軸承發(fā)熱量、潤滑條件、環(huán)境溫度、散熱條件等。導(dǎo)致定量計算軸承溫度難度較大。因此，本文將通過計算軸承的發(fā)熱量，再選取與實際情況相近的的傳熱條件，在Ansys Workbench中模擬計算軸承的溫度，進而分析溫度對索輪結(jié)構(gòu)的影響。

滾動軸承產(chǎn)生熱量的多少取決于軸承內(nèi)的摩擦，而摩擦的大小受到以下因素的影響[2]：軸承類型和尺寸、轉(zhuǎn)速、潤滑劑的特性和用量。

軸承部件之間的滾動和滑動摩擦?xí)璧K軸承轉(zhuǎn)動，滾動體與滾道、保持架以及引導(dǎo)面之間的接觸均會產(chǎn)生摩擦阻力。此外，由于潤滑劑拖曳和接觸式密封件的存在也會產(chǎn)生摩擦。

1.1 軸承摩擦力矩的計算

軸承摩擦力矩的精確計算主要考慮了與軸承載荷無關(guān)的摩擦力矩M0和與軸承載荷有關(guān)的摩擦力矩M1兩部分[3]，即總摩擦力矩M=M0+M1。

1）M0主要與軸承的類型和轉(zhuǎn)速以及潤滑劑黏度有關(guān)。當υn≥2 000時，

當υn＜2 000時，

式中：Dm為軸承平均直徑，Dm＝0.5（d+D）；f0為與軸承類型和潤滑有關(guān)的參數(shù)；n為軸承轉(zhuǎn)速；υ為在軸承工作溫度下潤滑劑的運動黏度（對潤滑脂取基油的黏度）。

托壓索輪中使用的是雙面帶橡膠密封圈的接觸式深溝球軸承，潤滑脂為鋰基潤滑脂，基油黏度60 mm2/s。

2）M1主要是彈性滯后和接觸表面差動滑動的摩擦損耗有關(guān)，即

M1＝f1F1Dm

式中：f1為與軸承類型和載荷有關(guān)的系數(shù)，對于深溝球軸承，f1＝0.000 9（P0/C0）0.55；f1為計算軸承摩擦力矩時的軸承載荷，對于深溝球軸承，f1＝3 Fa-0.1 Fr，若 f1＜ Fr，取 f1＝ Fr。

1.2 軸承的溫升

軸承摩擦損失在軸承內(nèi)部幾乎都變?yōu)闊崃渴馆S承溫度上升，單位時間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量為

Q＝1.05× 10-4Mn

式中：Q為單位時間內(nèi)的發(fā)熱量，M為摩擦力矩，n為軸承轉(zhuǎn)速。

2 托索輪軸承溫度計算

托索輪中的深溝球軸承型號為6311-2RS1，如圖2所示，左圖為帶密封圈的軸承，右圖為便于有限元計算，不帶密封圈和保持架的軸承。

圖2 6311-2RS1深溝球軸承

GB12352—2018《客運架空索道安全規(guī)范》中規(guī)定[4]：托（壓）索輪的滾動軸承計算時可以不考慮風(fēng)載荷。因此只考慮軸承受到來自鋼絲繩的徑向載荷，為6 kN，軸向載荷為0，轉(zhuǎn)速300 rpm，根據(jù)上述公式計算得到軸承單位時間內(nèi)的發(fā)熱量Q＝6 W。

由于橡膠密封圈的隔熱作用，假設(shè)軸承內(nèi)部熱量只能通過滾珠與內(nèi)外圈傳遞，熱量通過外圈外表面和內(nèi)圈內(nèi)表面進行傳導(dǎo)。托索輪中軸承是內(nèi)圈固定，外圈轉(zhuǎn)動，由于內(nèi)外圈的速度差，軸承的發(fā)熱量主要來源于滾動體與外圈滾道摩擦生熱和滾動體自旋滑動生熱，為簡化計算，不考慮保持架與滾動體摩擦生熱、滾動體與內(nèi)圈滾道摩擦生熱。

由于軸承旋轉(zhuǎn)一周時間很短，第一個滾動體與接觸面摩擦產(chǎn)生的熱量還未來得及擴散，第二個滾動體又通過相同位置產(chǎn)生熱量，將發(fā)熱量做周向均布，并在滾道與滾動體間做等比例分配是合理的。

根據(jù)上述條件，在Ansys Workbench中進行計算，得到軸承在穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度如圖3所示。

由圖3可知，軸承最高溫度為65.8℃，為顯示軸承內(nèi)部溫度情況，未顯示密封圈和支撐架。圖4為軸承熱流分布圖。

由圖4可知軸承內(nèi)部熱流最大值為0.003 W/mm2，在滾動體與內(nèi)外圈接觸的區(qū)域的熱流明顯大于其他部分，也符合軸承內(nèi)部生成熱的分布。

圖3 軸承溫度云圖

圖4 軸承熱流分布圖

3 軸承溫升影響因素分析

影響軸承溫升的因素有很多，由軸承摩擦力矩的計算以及對流換熱系數(shù)可知，載荷、轉(zhuǎn)速和導(dǎo)熱系數(shù)對軸承溫升都有較大影響。

3.1 載荷對軸承溫升的影響

托索輪中的深溝球軸承主要承受來自鋼絲繩的徑向載荷。載荷增加會增大軸承內(nèi)滾動體與滾道的接觸壓力，從而增大摩擦，產(chǎn)生更多熱量，影響軸承的溫度。不同的客運索道鋼絲繩張力不同，吊廂通過托索輪時也會引起軸承受力的變化，故分別取載荷2 kN、4 kN、6 kN、8 kN和10 kN，計算對應(yīng)的軸承溫度，如圖5所示。由圖5可知，軸承最高溫度隨載荷增加而增高，且曲線逐漸變陡，表明溫度升高的程度隨載荷的增加而加大。

圖5 載荷對軸承溫度的影響

3.2 轉(zhuǎn)速對軸承溫升的影響

由于客運索道運轉(zhuǎn)速度的變化，軸承的溫度情況也不同。轉(zhuǎn)速的增加會使?jié)L動體與滾道的摩擦次數(shù)增加，且轉(zhuǎn)速的變化會影響軸承內(nèi)部潤滑油的分布和流動情況，從而影響軸承的溫度。因此分別取轉(zhuǎn)速100 rpm、200 rpm、300 rpm、400 rpm和500 rpm，計算對應(yīng)的軸承溫度，如圖6所示。

由圖6可知，軸承最高溫度隨轉(zhuǎn)速增加而增高，與載荷對溫度的影響不同，轉(zhuǎn)速-溫度曲線較為平直，可知轉(zhuǎn)速對軸承溫度的影響比較線性。

圖6 轉(zhuǎn)速對軸承溫度的影響

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)對軸承溫升的影響

由于軸承外圈與輪體裝配精度不同，導(dǎo)致軸承外圈與輪體的接觸導(dǎo)熱系數(shù)并不相同，且考慮到今后可能會在輪體結(jié)構(gòu)中增加散熱結(jié)構(gòu)，改變軸承外圈與輪體間的導(dǎo)熱系數(shù)，從而也會對軸承溫度產(chǎn)生影響。由于軸承所處結(jié)構(gòu)較為封閉，導(dǎo)熱系數(shù)取值較小。分別取6 W/(m2·℃ )、8 W/(m2·℃ )、10 W/(m2·℃ )、12 W/(m2·℃ )和14 W/(m2·℃)，計算對應(yīng)的軸承溫度，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)熱系數(shù)對軸承溫度的影響

由圖7可知，導(dǎo)熱系數(shù)越大，越利于熱量的傳遞和擴散，軸承的溫度越低。因此，有必要在托索輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮增加散熱結(jié)構(gòu)，降低軸承溫度。

4 結(jié)論

通過對客運索道托索輪中的深溝球軸承進行摩擦計算和溫升分析，得到軸承在不利散熱條件下的最高溫度，并分析了載荷、轉(zhuǎn)速和導(dǎo)熱系數(shù)對軸承最高溫度的影響，為設(shè)計工作中能夠選取更加合理的設(shè)計參數(shù)提供參考。