臥式鏜銑加工中心的主軸軸承溫度場的建立及有限元分析
3.3機(jī)床主軸軸承溫度場的建立及有限元分析主軸上安裝的角接觸球軸承兩兩采取背對背成對安裝的形式，觀察表可知，3號 軸承的發(fā)熱量最大，所以本節(jié)將對3號軸承建立溫度場分析計(jì)算。3.3.1 SEB 170角接觸球軸承的有限元分析建模SEB 170角接觸球軸承的材料選用的是軸承鋼GCrl5，材料的物理性質(zhì)對熱分析 過程有著重要的影響，比如材料的導(dǎo)熱率、材料的線膨脹系數(shù)以及材料的彈性模量等 參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)則會(huì)隨著溫度的變化而變化，軸承材料的參數(shù)數(shù)值可見下表，因?yàn)闄C(jī)床主軸軸承的工作溫度一般不能超過ioo°c，所以表中只列出來材料在室溫還有 ioo°c時(shí)候的數(shù)值，而其他溫度的情況下，其參數(shù)值可以通過數(shù)值分析的方法加以求 得。而表3.4則列出了 SEB 170主軸軸承的外形尺寸參數(shù)。根據(jù)表中所列尺寸參數(shù)，使用SolidEdge軟件對軸承進(jìn)行三維建模，然后將模型 導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中去，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軸承的內(nèi)圈、 外圈形狀規(guī)則，采用的是自動(dòng)網(wǎng)格劃分的形式，模型總共被劃分為4282個(gè)單元，11236 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分如圖3.6所示：在對模型進(jìn)行加載熱載荷之前，需要對軸承模型中的各部分之前的接觸方式進(jìn)行設(shè)置。球滾子在軸承內(nèi)圈外圈滾道之間發(fā)生旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，這過程之中雖然會(huì)有摩擦，但 是在計(jì)算軸承的摩擦力矩的時(shí)候，“摩擦”這一因素己經(jīng)考慮過，所以在這里不用再設(shè) 置，即設(shè)置滾子與內(nèi)外圈滾道的接觸方式為“不分離”。將載荷加載到軸承的內(nèi)圈和外圈滾道，以及球滾子的外表面，載荷加載的方式設(shè) 置為“Heat flow”，單位設(shè)置為W。雖然TH6213主軸軸承的潤滑方式采用的是循環(huán)油 潤滑，但是，上節(jié)中交代了，潤滑油帶走的熱量為整個(gè)軸承系統(tǒng)的熱量，不分配到單 個(gè)軸承，所以此處只考慮軸承本身的發(fā)熱。3_3_2 SEB 170角接觸球軸承的有限元溫度場結(jié)果與分析通過ANSYS Workbench熱分析模塊的建模及分析，得出了軸承內(nèi)夕卜圈的溫度場 分布結(jié)果，如圖3.7、圖3.8所示。軸承的外圈最高溫度為52.685°C，而軸承內(nèi)圈的最 高溫度則達(dá)到了52.2°C。在內(nèi)外圈滾道上，有間隔分布的高溫區(qū)域，這是因?yàn)檩S承滾 動(dòng)體與滾道設(shè)置為相對靜止，所以會(huì)出現(xiàn)這樣的溫度分布。分析上面的仿真分析結(jié)果可知，內(nèi)外圈滾道上溫度分布不連續(xù)，在滾動(dòng)體與滾道 接觸的地方有明顯的圓形的高溫區(qū)域，而實(shí)際情況中，滾動(dòng)體沿滾道高速運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度 分布應(yīng)該呈現(xiàn)連續(xù)分布的狀態(tài)，所以與實(shí)際不符。而且TH6213主軸箱為臥式，軸承 外圈安裝在主軸箱上，二者相對靜止，所以，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，外圈將呈現(xiàn)半周受 力的情況，而這一點(diǎn)在上述分析結(jié)果中也沒有得到體現(xiàn)，所以現(xiàn)在需要對軸承模型以 及分析過程進(jìn)行檢查并改進(jìn)。滾道接觸點(diǎn)的切向速度約為24.4m/s，而球滾子與軸承外圈滾道接觸點(diǎn)的切向速度約 為27.9m/s。SEB170軸承內(nèi)圈滾道周長為0.623m，外圈滾道周長為0.792m。比較二者 可知，球滾子在滾道內(nèi)旋轉(zhuǎn)的速度很快，并且與內(nèi)外滾道上每個(gè)點(diǎn)都有接觸，綜合以 上，可以將高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的球滾子簡化為一個(gè)一個(gè)靜止的圓環(huán)。通過這種方法對有限元 模型進(jìn)行了改進(jìn)，然后重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這一次模型被劃分為948個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)4448 個(gè)，由此可見，改進(jìn)后的模型有效地減少了單元的數(shù)量，從而縮短了計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間。然后再一次對模型施加相同的載荷，然后得到改進(jìn)后的有限元分析結(jié)果，見圖 3.11、圖3.12。這一次由仿真結(jié)果可以看出，軸承內(nèi)外圈滾道上溫度變化均勻，沒有 像之前那樣出現(xiàn)不連續(xù)分布的高溫區(qū)域，同時(shí)，軸承內(nèi)圈的溫度也有所降低，這是因 為軸承模型經(jīng)過改進(jìn)后，體現(xiàn)出了球滾子在滾道的旋轉(zhuǎn)過程中，不斷帶走熱量并且與 滾道的每一個(gè)接觸點(diǎn)發(fā)生熱的交換，從而使內(nèi)外圈的滾道呈現(xiàn)出均勻分布的溫度場。 這樣更符合軸承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的發(fā)熱情況。本節(jié)通過對SEB170角接觸球軸承的有限元模型的改進(jìn)、溫度場的分析，得出了 其溫度場分布的結(jié)果，為接下來對機(jī)床主軸溫度場的分析提供了依據(jù)。