Page 139 - 摩擦学学报2025年第9期

第 9 期 张玉言, 等: 环下润滑高速球轴承流固耦合传热特性研究 1393

d 和d 分别为保持架引导面直径和挡边引导面直径中 如式(4)所示.
2
1
较小和较大的1个，取决于引导方式；c 为绕流阻力系
v
H = H h + H m + H s + H CL + H v (4)
数；ρ为润滑剂质量密度；D 为滚动体直径. 参数Q 、 将该生热量以体积热源的方式按平均法 施加到
[8]
b
ij
Q 、M 、M 、ω 、ω 、ω 和ω 需通过轴承的力学
c
oj
soj
sij
soj
sij
mj
内外圈滚道和滚动体上，作为传热分析的热源边界条件.
和运动学分析获得，即建立高速球轴承变形和负荷关
系的非线性方程组，在已知球轴承的轴向力F 、径向 2 环下润滑球轴承两相流流固耦合传热模型
a
力F 和力矩M时，通过迭代求解方程组获得内圈轴 传热分析的目的是在已知热源的条件下，通过研
r
向、径向和角位移等变量值，并据此进一步计算得到
究轴承内热量的传递过程计算得到轴承腔内的温升
各方位角上滚动体与内外圈的接触角α 和α 以及接 规律. 轴承热量的传递方式主要包括滚动体与内外圈
oj
ij
[16]
触力Q 和Q 等参数 . 此外，根据内圈角速度以及求 之间的热传导、轴承与流动空气间的强迫对流以及轴
ij
oj
解得到的内外圈接触角可以计算出滚动体的自转、公 承腔壁面与油气润滑介质间的换热，这些可通过CFD
转和自旋角速度，如式(1~3)所示. 方法建立流固耦合传热模型来开展分析.
ω 2.1 轴承几何模型
ω bj = ·
cosα oj +tanβ j sinα oj cosα ij +tanβ j sinα ij
+ 本文中研究对象为某航空发动机主轴三点接触
D b D b
1+ cosα oj 1− cosα ij 球轴承QJS227，其三维模型如图1所示. 其中，轴承内
d m d m
1 圈、外圈和滚动体材料均采用M50钢，保持架采用
(1)
D b 40CrNiMoA材料，材料参数列于表2中；保持架兜孔形
cosβ j
d m
状是直径为d 的柱形，保持架宽度和厚度分别为B 和
h
c
D b
1− cosα ij H . 轴承具体几何结构尺寸列于表3中.
c
ω mj = ω d m ( ) (2) 轴承润滑油选用合成航空润滑油4050，比热容为
1+cos α ij −α oj
2 070 J/(kg·K)、导热系数为0.146 W/(m·K)、运动黏度
® ( ) ( )
ω sij = −ω bj sin β j −α ij + ω−ω mj sinα ij 2 3
(3) 为5 mm /s、密度为970.4 kg/m .
( )
2.2 流固耦合模型建立及验证
ω so j = ω b j sin α o j −β j −ω mj sinα oj
式中：β 为滚动体自转时的姿态角，即自转轴线与公转 2.2.1 流固耦合模型的建立
j
轴线的夹角β =arctan[d sinα /(d cosα +D )]. 结合环下润滑的具体结构(以径向环下润滑为
b
j
m
m
oj
oj
综合考虑5种摩擦热源可得轴承的总摩擦生热量 例)，如图2(a)所示，计算模型选取图2(a)中的区域建

B c
H c
Oil supply hole
in the ring d h
(a) Bearing profile diagram (b) Overall diagram of bearings (c) Cage structure
Fig. 1 Bearing QJS227 physical model and its cage structure
图 1 轴承QJS227实体模型及其保持架结构

表 2 轴承元件材料参数
Table 2 Material parameters of bearing components
Materials Density/(kg/m³) Specific heat capacity/[J/(kg·K)] Thermal conductivity/[W/(m·K)] Elastic modulus/GPa Poisson's ratio
M50 steel 7 850 470 35.0 210 0.30
40CrNiMoA 7 830 460 42.7 209 0.29