3.3机床主轴轴承温度场的建立及有限元分析
主轴上安装的角接触球轴承两两采取背对背成对安装的形式,观察表可知,3号 轴承的发热量最大,所以本节将对3号轴承建立温度场分析计算。
3.3.1 SEB 170角接触球轴承的有限元分析建模
SEB 170角接触球轴承的材料选用的是轴承钢GCrl5,材料的物理性质对热分析 过程有着重要的影响,比如材料的导热率、材料的线膨胀系数以及材料的弹性模量等 参数,而这些数据则会随着温度的变化而变化,轴承材料的参数数值可见下表,因为机床主轴轴承的工作温度一般不能超过ioo°c,所以表中只列出来材料在室温还有 ioo°c时候的数值,而其他温度的情况下,其参数值可以通过数值分析的方法加以求 得。而表3.4则列出了 SEB 170主轴轴承的外形尺寸参数。
根据表中所列尺寸参数,使用SolidEdge软件对轴承进行三维建模,然后将模型 导入ANSYS Workbench有限元分析软件中去,然后对其进行网格划分。轴承的内圈、 外圈形状规则,采用的是自动网格划分的形式,模型总共被划分为4282个单元,11236 个节点,网格划分如图3.6所示:
在对模型进行加载热载荷之前,需要对轴承模型中的各部分之前的接触方式进行设置。球滚子在轴承内圈外圈滚道之间发生旋转滚动,这过程之中虽然会有摩擦,但 是在计算轴承的摩擦力矩的时候,“摩擦”这一因素己经考虑过,所以在这里不用再设 置,即设置滚子与内外圈滚道的接触方式为“不分离”。
将载荷加载到轴承的内圈和外圈滚道,以及球滚子的外表面,载荷加载的方式设 置为“Heat flow”,单位设置为W。虽然TH6213主轴轴承的润滑方式采用的是循环油 润滑,但是,上节中交代了,润滑油带走的热量为整个轴承系统的热量,不分配到单 个轴承,所以此处只考虑轴承本身的发热。
3_3_2 SEB 170角接触球轴承的有限元温度场结果与分析
通过ANSYS Workbench热分析模块的建模及分析,得出了轴承内夕卜圈的温度场 分布结果,如图3.7、图3.8所示。轴承的外圈最高温度为52.685°C,而轴承内圈的最 高温度则达到了52.2°C。在内外圈滚道上,有间隔分布的高温区域,这是因为轴承滚 动体与滚道设置为相对静止,所以会出现这样的温度分布。
分析上面的仿真分析结果可知,内外圈滚道上温度分布不连续,在滚动体与滚道 接触的地方有明显的圆形的高温区域,而实际情况中,滚动体沿滚道高速运转,温度 分布应该呈现连续分布的状态,所以与实际不符。而且TH6213主轴箱为卧式,轴承 外圈安装在主轴箱上,二者相对静止,所以,在主轴运转过程中,外圈将呈现半周受 力的情况,而这一点在上述分析结果中也没有得到体现,所以现在需要对轴承模型以 及分析过程进行检查并改进。
滚道接触点的切向速度约为24.4m/s,而球滚子与轴承外圈滚道接触点的切向速度约 为27.9m/s。SEB170轴承内圈滚道周长为0.623m,外圈滚道周长为0.792m。比较二者 可知,球滚子在滚道内旋转的速度很快,并且与内外滚道上每个点都有接触,综合以 上,可以将高速运转中的球滚子简化为一个一个静止的圆环。通过这种方法对有限元 模型进行了改进,然后重新进行网格划分,这一次模型被划分为948个单元,节点4448 个,由此可见,改进后的模型有效地减少了单元的数量,从而缩短了计算机运算的时间。
然后再一次对模型施加相同的载荷,然后得到改进后的有限元分析结果,见图 3.11、图3.12。这一次由仿真结果可以看出,轴承内外圈滚道上温度变化均匀,没有 像之前那样出现不连续分布的高温区域,同时,轴承内圈的温度也有所降低,这是因 为轴承模型经过改进后,体现出了球滚子在滚道的旋转过程中,不断带走热量并且与 滚道的每一个接触点发生热的交换,从而使内外圈的滚道呈现出均匀分布的温度场。 这样更符合轴承在实际运转过程中的发热情况。
本节通过对SEB170角接触球轴承的有限元模型的改进、温度场的分析,得出了 其温度场分布的结果,为接下来对机床主轴温度场的分析提供了依据。
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