臥式鏜銑加工中心的主軸軸承溫度場(chǎng)的建立及有限元分析
3.3機(jī)床主軸軸承溫度場(chǎng)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(duì)背成對(duì)安裝的形式,觀察表可知,3號(hào) 軸承的發(fā)熱量******,所以本節(jié)將對(duì)3號(hào)軸承建立溫度場(chǎng)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(duì)熱分析 過(guò)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(jiàn)下表,因?yàn)闄C(jī)床主軸軸承的工作溫度一般不能超過(guò)ioo°c,所以表中只列出來(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)模型進(jìn)行加載熱載荷之前,需要對(duì)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(guò)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(guò),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(rùn)滑方式采用的是循環(huán)油 潤(rùn)滑,但是,上節(jié)中交代了,潤(rùn)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(chǎng)結(jié)果與分析通過(guò)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(chǎng) 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(duì)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(duì)靜止,所以,在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(méi)有得到體現(xiàn),所以現(xiàn)在需要對(duì)軸承模型以 及分析過(guò)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(zhǎng)為0.623m,外圈滾道周長(zhǎng)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(jiǎn)化為一個(gè)一個(gè)靜止的圓環(huán)。通過(guò)這種方法對(duì)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(jiàn),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(duì)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(jiàn)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(méi)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(guò)改進(jìn)后,體現(xiàn)出了球滾子在滾道的旋轉(zhuǎn)過(guò)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(chǎng)。 這樣更符合軸承在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的發(fā)熱情況。本節(jié)通過(guò)對(duì)SEB170角接觸球軸承的有限元模型的改進(jìn)、溫度場(chǎng)的分析,得出了 其溫度場(chǎng)分布的結(jié)果,為接下來(lái)對(duì)機(jī)床主軸溫度場(chǎng)的分析提供了依據(jù)。