Page 141 - 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 1395

384.8 Inner ring average temperature Average temperature of the rolling element with rotation

Outer ring average temperature 720 Average temperature of the rolling element without rotation 0.032
Average temperature of the bearing inner ring with rotation
Average temperature of the bearing inner ring without rotation
384.0 640 Average oil phase volume fraction inside the cavity with rotation 0.024
Average oil phase volume fraction inside the cavity without rotation
Temperature, T/K 383.2 377 Temperature, T/K 560 0.016 Average oil phase volume fraction inside the cavity
382.4
480
381.6 400 0.008

200 250 300 350 400 450 500 5 10 15 20 25
Number of meshes/10 4 Rotational speed, n/(10 r/min)
3
Fig. 3 Grid independence verification Fig. 4 Effect of rotational speed on bearing flow and heat
图 3 网格无关性验证 characteristics with and without rolling
element self-rotation added
数为内圈转速为14 675 r/min、轴向载荷25 kN、径向 图 4 计入和不计入自转时转速对轴承流动和热特性的影响
载荷2 kN和进油温度359.15 K. 文献中试验监测了轴
承外圈平均温度的变化，稳定后的外圈平均温度为 不太高时，滚动体自转会使腔内的平均油相体积占比
413.51 K. 本文中使用相同工况仿真计算得到的轴承 降低，而当轴承转速达到15 000 r/min以上时，滚动体
外圈平均温度为411.97 K，与文献中试验结果的相对 自转会提高腔内的平均油相体积占比. 这是因为轴承
误差为0.37%，可认为本文中的模型设置较为准确，可 转速较低时腔内的油相体积较高，滚动体自转的扰动
用于后续的研究. 作用强，使得腔内流体运动更加剧烈，加速流体甩出
轴承腔；而转速较高时腔内的油相体积较低，滚动体
3 结果和分析 自转有利于润滑油通过保持架兜孔抵达轴承外圈，从

3.1 不同转速下滚动体自转对轴承热特性的影响 而使得轴承腔内的油相增多. 此外，滚动体自转对轴
在轴承内圈转动的过程中，滚动体不仅存在公转 承内圈平均温度的影响不大，但对降低滚动体的平均
[19]
运动，还存在自转运动 . 滚动体的自转必定会影响 温度有着显著作用，这是因为滚动体的自转使得润滑
轴承内部润滑剂的流动，进而影响轴承的热特性. 为 油较为容易地附着在滚动体表面(正如图5所示的转速
反应滚动体自转的影响，图4所示为不同转速下考虑 为10 000 r/min时滚动体表面的油相分布云图)，降低
和不考虑滚动体自转时轴承腔内平均油相体积占比 滚动体的平均温度. 由以上结果可知，滚动体自转对
及滚动体与内圈平均温度的变化. 此处仿真分析时取 轴承的温度分布有着重要影响，不可忽视. 需要注意的
供油速度为10 m/s、保持架宽度为30 mm、兜孔直径为 是，图4中所研究的转速范围已远超过该航空发动机
[17]
23.16 mm和厚度为8 mm. 由图4中可以看出，在转速 球轴承QJS227的正常工作范围(10 225~15 010 r/min )，
Oil volume fraction

0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050

(a) With rolling element self-rotation added (b) Without rolling element self-rotation added
Fig. 5 Cloud map of oil phase distribution on the surface of rolling elements
图 5 滚动体表面油相分布云图