一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统

技术领域

本发明涉及球轴承技术领域，特别是涉及一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统。

背景技术

高速球轴承作为一种重要的零部件，在航空发动机中应用比较广泛，其润滑方式多采用环下润滑。采用环下供油，可以改善润滑油在轴承内的流动情况，使内圈得到充分冷却和润滑。对于环下润滑的高速角接触球轴承，当一定量的气体进入时，在轴承的高速旋转状态下，润滑介质整体上表现出油气两相流动的特点。油气两相流体流过轴承固体表面时发生对流换热，其对流换热的准则对轴承的散热机理具有极大的影响。现有轴承对流换热系数均采取经验公式进行计算，得到的对流换热系数作为边界条件施加到整个轴承上，缺乏针对两相流动状态下球轴承内部通道，包括内外圈滚道和滚动体的对流换热系数计算。轴承的内部通道是指内外圈之间的区域，包括滚动体、保持架和流体域。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统，提高了温度计算的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种球轴承对流换热系数的计算方法，所述方法包括：

建立球轴承的仿真模型；

为所述球轴承设置不同的转速和不同的喷油速度；

获得所述球轴承内部通道的油气两相流的物性参数；

对所述物性参数进行拟合，获得所述物性参数之间的拟合关系式；

建立所述球轴承的尺寸参数、对流换热系数和所述物性参数的第一关系式；

建立所述球轴承的尺寸参数、转速和所述物性参数的第二关系式；

根据所述拟合关系式、第一关系式和第二关系式获得计算所述球轴承的对流换热系数的计算公式；

根据所述计算公式计算对流换热系数。

可选地，所述对所述物性参数进行拟合之前，所述方法还包括：

对所述物性参数进行无量纲化。

可选地，所述对所述物性参数进行无量纲化，具体包括根据量纲分析基本原理对所述物性参数进行无量纲化。

可选地，所述物性参数包括流体动力粘度、密度、等压比热容、热导率、普朗特数、雷诺数和努塞尔数。

可选地，所述计算公式为：

本发明还公开了一种球轴承对流换热系数的计算系统，所述系统包括：

仿真模型建立模块，用于建立球轴承的仿真模型；

设置模块，用于为所述球轴承设置不同的转速和不同的喷油速度；

物性参数获得模块，用于获得所述球轴承内部通道的油气两相流的物性参数；

拟合关系式获得模块，用于对所述物性参数进行拟合，获得所述物性参数之间的拟合关系式；

第一关系式建立模块，用于建立所述球轴承的尺寸参数、对流换热系数和所述物性参数的第一关系式；

第二关系式建立模块，用于建立所述球轴承的尺寸参数、转速和所述物性参数的第二关系式；

对流换热系数计算公式获得模块，用于根据所述拟合关系式、第一关系式和第二关系式获得计算所述球轴承的对流换热系数的计算公式；

对流换热系数计算模块，用于根据所述计算公式计算对流换热系数。

可选地，所述系统还包括：

无量纲化模块，用于在对所述物性参数进行拟合之前，对所述物性参数进行无量纲化。

可选地，所述无量纲化模块，具体包括：

无量纲化子单元，用于根据量纲分析基本原理对所述物性参数进行无量纲化。

可选地，所述物性参数包括流体动力粘度、密度、等压比热容、热导率、普朗特数、雷诺数和努塞尔数。

可选地，所述计算公式为：

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统，通过球轴承的仿真模型获得物性参数，对所述物性参数进行拟合，获得所述物性参数之间的拟合关系式，建立所述球轴承的尺寸参数、对流换热系数和所述物性参数的第一关系式；建立所述球轴承的尺寸参数、转速和所述物性参数的第二关系式；根据所述拟合关系式、第一关系式和第二关系式获得计算所述球轴承的对流换热系数的计算公式；并根据所述计算公式计算对流换热系数。本发明通过针对仿真模拟获得的物性参数，根据球轴承的具体参数确定对流换热系数的计算公式，根据计算公式获得对流换热系数，使获得的对流换热系数更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种球轴承对流换热系数的计算方法流程示意图；

图2为本发明实施例一种球轴承对流换热系数的计算系统结构示意图；

图3为本发明实施例球轴承结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统，提高了温度检测的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种球轴承对流换热系数的计算方法流程示意图，如图1所示，一种球轴承对流换热系数的计算方法包括以下步骤：

步骤101：建立球轴承的仿真模型。

其中，步骤101中，具体包括采用ANSYS-Workbench(有限元分析软件)中的DesignModeler(模型设计)模块建立包含轴承内圈4、外圈1、滚动体3和保持架2的环下润滑球轴承三维仿真模型。环下润滑球轴承的结构示意图如图3所示。

步骤102：为所述球轴承设置不同的转速和不同的喷油速度。

其中，步骤102中具体为，在ANSYS-Workbench中的Fluent(流体仿真)模块为环下润滑球轴承的仿真模型设置不同的转速和不同的喷油速度。

步骤103：获得所述球轴承内部通道的油气两相流的物性参数。

所述物性参数包括流体动力粘度、密度、等压比热容、热导率、普朗特数、雷诺数和努塞尔数。

步骤104：对所述物性参数进行拟合，获得所述物性参数之间的拟合关系式。

其中，步骤104之前，所述方法还包括：根据量纲分析基本原理对所述物性参数进行无量纲化。

步骤104具体还包括：对无量纲化后的物性参数按照对流换热准则关系式Nu＝f(Re,Rr)进行拟合，获得拟合关系式Nu＝a·Re

步骤105：建立所述球轴承的尺寸参数、对流换热系数和所述物性参数的第一关系式。

其中，第一关系式包括：

步骤106：建立所述球轴承的尺寸参数、转速和所述物性参数的第二关系式。

其中，第二关系式包括：

第二关系式还包括

环下润滑球轴承内部，内外滚道值可取滚道宽度，将滚道宽度作为特征长度为l，对于球体3，特征长度就是球体3直径D

平均流速V的表达式为：

步骤107：根据所述拟合关系式、第一关系式和第二关系式获得计算所述球轴承的对流换热系数的计算公式。

其中，步骤107具体包括：联立拟合关系式、第一关系式、第二关系式和平均流速V的表达式，得到内外滚道和球体的对流换热系数无量纲计算公式：

步骤108：根据所述计算公式计算对流换热系数。

本实施例中对环下润滑球轴承进行仿真，环下润滑球轴承仿真工况如表1所示：

表1环下润滑球轴承的仿真工况

以内滚道为例，获得仿真参数如表2所示：

表2仿真结果

利用MATLAB工具箱，拟合内圈滚道无量纲对流换热准则关系式为：Nu＝0.04072·Re

由公式Nu＝0.04072·Re

以环下润滑油孔直径2mm，喷油速度15m/s为例，对比不同转速下计算结果与仿真结果误差，如表3所示：

表3不同转速下计算结果与仿真结果误差

进一步，利用MATLAB工具箱，可得球体3和外圈滚道无量纲对流换热准则关系式：Nu＝0.0239·Re

由公式Nu＝0.0239·Re

分别将球体3和外圈滚道的a、b、c值代入对流换热系数无量纲计算公式，可得球体3和外圈滚道的对流换热系数无量纲计算公式：

本发明一种球轴承对流换热系数的计算方法具有以下技术效果：

(1)通过仿真以及非线性拟合得到了对流换热系数无量纲计算公式，该公式克服了轴承对流换热系数计算单一经验公式、单相流和不区分零部件的计算方法，在使用有限元法和热网络法进行轴承温度场分析时，可以更有针对性的根据轴承零部件和润滑特性计算并施加不同的对流换热系数，提高温度场分析的准确性，减小与试验的误差，更有效指导轴承的设计并提高轴承使用寿命。

(2)本发明提出的一种球轴承内部通道对流换热系数的计算方法，建立球轴承三维仿真模型并进行仿真计算，得到了仿真数值，通过π定理无量纲化后对流换热准则关系式以及非线性拟合得到了内外圈和球体对流换热系数无量纲计算公式，并得到了计算值与仿真值的对比结果，具有较好的准确性。

图2为本发明一种球轴承对流换热系数的计算系统结构示意图，如图2所示，一种球轴承对流换热系数的计算系统包括：

仿真模型建立模块201，用于建立球轴承的仿真模型；

设置模块202，用于为所述球轴承设置不同的转速和不同的喷油速度。

物性参数获得模块203，用于获得所述球轴承内部通道的油气两相流的物性参数。

拟合关系式获得模块204，用于对所述物性参数进行拟合，获得所述物性参数之间的拟合关系式。

第一关系式建立模块205，用于建立所述球轴承的尺寸参数、对流换热系数和所述物性参数的第一关系式。

第二关系式建立模块206，用于建立所述球轴承的尺寸参数、转速和所述物性参数的第二关系式。

对流换热系数计算公式获得模块207，用于根据所述拟合关系式、第一关系式和第二关系式获得计算所述球轴承的对流换热系数的计算公式。

对流换热系数计算模块208，用于根据所述计算公式计算对流换热系数。

所述系统还包括：

无量纲化模块，用于在对所述物性参数进行拟合之前，对所述物性参数进行无量纲化。

所述无量纲化模块，具体包括：

无量纲化子单元，用于根据量纲分析基本原理对所述物性参数进行无量纲化。

所述物性参数包括流体动力粘度、密度、等压比热容、热导率、普朗特数、雷诺数和努塞尔数。

所述计算公式为：

本发明虽然只对环下润滑球轴承进行了仿真计算，但本发明一种球轴承对流换热系数的计算方法及系统的应用不限于环下润滑球轴承，同样适用于喷油润滑等其他润滑类型的球轴承。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。