轴承散热开题报告.docx
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轴承散热开题报告
河南科技大学硕士学位论文
开题报告
题目：
高铁轴承试验机陪试轴承散热分析
年级：
研2010级
姓名：
冯军
研究方向：
滚动轴承热分析
指导教师：
刘红彬
专业：
机械设计及理论
研究生处制
2011年10月25日
说明
1、研究生在导师指导下，硕士论文的开题报告应在第2学期末或第3学期初完成。
2、研究生通过系统地查阅国内外文献资料，在进行实地调查研究的基础上，详细认真的填写报告内容。
3、报告需在开题报告会议上宣读，广泛听取意见，并进行修改，经开题报告评审组同意，学院主管院长批准后方可执行。
4、报告一式三份，应与第2学期末或第3学期初填写完毕，分别交教研室（研究室）、学院、研究生处各一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。
5、本报告存入研究生技术档案，是学位评定材料之一，要求用钢笔填写或以A4纸打印，字迹清楚，如栏内填写不下，可另加附页。
研究题目：
高铁轴承试验机陪试轴承散热分析
课题来源：
国家863计划高铁轴承防粉尘密封性能试验台性能分析及仿真
选题依据（选题的理论意义和实用价值，国内外研究动向及进展）：
轴承试验是轴承设计、制造过程中一个不可缺少的重要的验证过程，在轴承试验机上可以按照轴承的实际安装工况、实际运行状态，即轴承的转速、轴向载荷、径向载荷以及环境温度、润滑状态等按实际工况给定进行运转，达到预定寿命或到轴承失效。
高铁轴承试验机陪试轴承作为高铁轴承试验的一部分，采用圆锥滚子轴承的结构类型，其运行工况具有高速重载的特征。
在其运行过程中，轴承内部会产生大量的热需要及时散发出去，本课题就是基于圆锥滚子轴承散热问题进行的研究。
滚动轴承的温升及温度分布状态直接影响着主轴—轴承系统的工作性能和使用寿命。
滚动轴承转速及载荷的不断提高，则会导致轴承摩擦生热急剧增加，如果热量得不到及时有效地散发，轴承内部的温度将会异常升高。
温度过高则会导致轴承内部零件表面灼伤甚至相互胶合、咬死而早期报废，后果十分严重。
因此，随着主轴一轴承系统转速及载荷的不断提高，滚动轴承的散热问题已经成为需要亟待解决的问题。
滚动轴承的散热冷却，一般分为内、外循环的两种方式，内循环为常规结构，国内较多采用；外循环冷却方式的油槽内部结构简单，能有效降低油的搅拌损耗，油可直接进入油冷却器并充分进行热交换，另外，可根据需要选择油冷却器的数量，而不受油槽尺寸的限制。
这种方式还可以简化轴承油槽的结构，给制造和安装带来了方便。
轴承外圈油槽采用环形结构，环形通道内的流动与换热是近年来出现的一个比较新的研究领域。
国外对该方面的研究相对较多，开始于上世纪六、七十年代，而且最早是从研究环形管内的单相流动开始的。
早期的研究者多采用实验方法进行研究，且大部分局限于介质为空气，环形间隙较小的环形管道。
Quarmby以雷诺数为变量对环形通道内的热流进行了分析，结果给出了摩擦阻力系数，内壁和外壁附近的速度处理方法以及轴向速度达到最大时的位置。
Gunn等和Sadatomi等人采用实验研究表明，环形通道内的紊流摩擦阻力系数与内外径的比值是关系的，且随着内外径比值的增大而增大，但Brighton等人得出的结论却是紊流摩擦系数与内外径比值无关。
Harris曾提出用平板在层流中的散热系数来考虑轴承与接触油之间的热传递。
从前人的研究成果可以确定的是，影响环形通道内对流换热特性的主要因素有以下几个方面：
第一是边界条件，即内外壁面的加热情况，是单内侧加热，单外侧加热还是双侧同时加热，是等温加热还是定热流加热；第二是通道的几何尺寸对其的影响，如通道的高宽比等。
此外通道内介质的物性，如密度、导热系数、粘性系数以及Pr数等对流动和换热也会产生一定的影响。
借助以上分析，本课题准备从理论数值计算和实验模拟分析两方面入手，探讨轴承系统散热问题：
（1）建立圆锥滚子轴承的数值传热计算模型，分析轴承外圈流场的温度分布状况；
（2）建立流场的有限元模型，研究轴承在不同介质及流速参数下的散热情况；（3）建立模拟流场试验台，验证分析不同流速下的流场温度分布状况。
课题研究内容：
本课题以高铁轴承试验机陪试圆锥滚子轴承为研究对象，为了提高轴承的散热性能，进行如下内容的研究：
1.建立圆锥滚子轴承的数值传热计算模型，分析轴承外圈流场的温度分布状况；
（1）以流体低雷诺数的层流状态为基础，建立数值计算模型。
（2）流场与轴承外圈的对流换热为强制对流换热，数值计算中要考虑入口段和充分发展段。
（3）结合边界条件，求得流场无量纲温度梯度数Nu。
2.建立流场的有限元模型，研究轴承在不同介质及流速参数下的散热情况；
（1）根据对流及传导散热问题在有限元中的应用，建立流场的有限元模型进行分析;
（2）利用有限元分析技术，考虑边界条件及耦合场问题，研究轴承散热流场在不同介质及入口流速条件下流场的温度及流速分布状态；
（3）拟合Nu数计算公式。
3.建立模拟流场试验台，验证分析不同流速下的流场温度分布状况。
（1）搭建模拟流场试验台，以稳定流体为介质，进行试验分析；
（2）借助热电偶等测温传感器对流场温度分布进行测试分析。
课题研究方法：
1.基于数值传热学理论，对轴承外圈流场的传热特性进行数值分析，建立流场温度分布数值计算模型；
（1）用有限容积法对环形狭缝通道内单相强迫对流换热特性进行数值计算，计算区域为充分发展段。
（2）通过对环形通道流场内正在发展流对流换热与壁面热辐射的耦合换热数值模拟,分析通道入口雷诺数,壁面发射率对换热的影响,比较考虑流体物性变化与否所得流动与换热数值结果的差别。
2.在理论数值计算温度分布模型的基础上，进行流场换热的有限元分析；
在ANSYS中，建立流场的有限元模型，根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，得到流场温度分布状态；
3.模拟轴承外部散热流场，采用水泵或者高度差压形成强制对流换热流场，通过水阀控制流速；在流场内部嵌入热电偶，测试在流场内部不同区域范围内的温度分布状态；从而验证分析在不同流速下，流场的换热情况。
课题工作计划及阶段进度：
1.2011.09-2010.10查阅文献，熟悉课题研究内容和方法；
2.2011.11-2012.04理论计算温度分布及传热情况；
3.2012.05-2012.08搭建试验台，验证分析流场温度分布及在不同流速下的传热情况；
4.2012.09-2012.02对流场的温度分布进行有限元分析；
5.2012.03-2012.04撰写毕业论文，准备进行硕士论文答辩。
课题研究工作可能存在的困难和问题：
1.理论数值计算分析中的问题
（1）当流体进入长方形截面环形通道内进行对流换热时,需要确定在流动与换热的充分发展区域的阻力系数及Nu数；
（2）在实际的对流换热过程中,流动工况可能非常复杂,流体中间也有可能产生极其复杂的粘性耗散效应,因此,解析函数的求解将非常困难。
2.有限元计算分析中的问题
（1）轴承外圈流场温度分布很不均匀，与轴承外圈接触部分流体热流密度大，采用ANSYS进行网格划分的时候，划分出比较合适的网格比较困难。
（2）轴承内部生热因素比较复杂导致轴承表面温度会有所变化，在有限元分析中边界条件的确定比较困难；
3.试验验证分析中的问题
（1）试验中模拟流场的入口雷诺数与实际会有所偏差。
（2）热电偶分为热端和冷端，电偶分度表是在冷端温度为0℃时得到的，实际工作中冷端温度为环境温度，不能再使用标准分度表进行温度转换。
解决方法和措施：
1.认真查阅与强制对流换热数值计算相关的书籍和文献，全面了解流场传热数值计算的方法；采用内节点法对求解区域进行等距离散，通过计算机编程求得计算结果；
2.对有限元建模采用的网格模型在关键接触区域附近进行局部细化加密，利用函数边界条件实现载荷随时间的变化。
首先编辑一个公式，公式包含时间等基本变量，即可以是分段函数，也可以是单值函数。
然后将公式读入表格，最后施加到相应的边界上。
3.根据实际通道半径和试验选取平直通道长度对入口雷诺数进行校核；为了消除热电偶冷端由于温度变化而对结果造成的误差，可采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上；然后再采用修正方法来补偿冷端温度不等于0℃时对测温的影响。
预期结果：
1.通过理论数值计算分析得到流场的对流换热系数h和Nu数。
在此基础上得到流场的换热特性及在不同区域的温度分布梯度，探讨流速、介质、及截面大小对流体换热的影响，推导出针对方形截面的环形通道对流换热计算公式。
2.通过有限元分析，得到流场的温度分布状况，及在不同材料属性及边界条件下的温度分布情况。
通过模拟试验对比分析温度分布状态，结合理论计算结果，得出流场的最佳散热特性，并得出计算流场传热系数的经验公式。
课题研究具体指导人员：
刘红彬
导师签名：
年月日
附：
为选题所查阅的文献资料索引（开题报告中需附中、外文参考文献。
参考文献篇数要求为：
理、工、农、医学科门类不少于35篇；其他学科门类不少于45篇。
按文献发表时间或引用的先后顺序填写）：
序号
文献名称
作者
发表刊物时间
（出版单位）时间
1
Fluidflowandenergylossesinnon-circularconduits[J]
GunnDJ，DarlingCWW
TransAIChE，1963.4l
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2
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3
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4
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有限元法在传热学中的应用
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10
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11
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北京：
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数值传热学[M]
陶文铨
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13
Aheat-masstransferanalogyappliedto
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Lewis,J.S.
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14
相似理论及其在传热学中的应用
王丰
北京：
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计算流体力学与传热学
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16
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管内耦合换热的辐射热
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环形通道内空气湍流正在发展流与壁面辐射的耦合换热研究[J]
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40
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120-125
开题报告会时间：
年月日地点：
开题报告评审组成员：
开题报告成绩：
评定意见：
（对选题水平、开题报告的可行性、能否通过写出明确评语）
开题报告评审组组长（签名）：
学院领导签名：
年月日
报告执行情况纪要：
备
注
升级会员 