面向滚动轴承热管理的双进双出双螺旋冷却通道热特性与逐步优化

《Results in Engineering》：Thermal characteristics and optimization of cooling structures for rolling bearings

　　

研究人员选取双入口、双出口双螺旋通道（two-inlet, two-outlet double-helical channel）用于热管理；所选通道使最高温度降低2.4°C、径向变形降低4.4 μm；当进出口水温差 ΔT 由1.0°C降至0.6°C时，冷却均匀性（cooling uniformity）提高；模型-实验偏差（model–experiment deviations）为0.3–0.9°C，支持结构筛选；基于模型的冷却能力校核（cooling-capacity check）给出45.1 W，而生热（heat generation）为36.4 W。

研究背景方面，滚动轴承是机床主轴系统的重要支撑部件，其热性能直接影响加工精度。轴承运行中内外热源引起温升，持续热积累可导致关键部件热变形，进而造成主轴系统加工精度偏差；随着数控机床主轴系统向高速、高精方向发展，滚动轴承温升控制愈发重要。散热不良、冷却系统可靠性不足和显著热变形会进一步增加精度退化风险，因此高效冷却结构设计对抑制轴承热变形、提高运行稳定性具有理论意义和工程价值。现有研究多集中于轴承生热机理、温度场预测以及热行为和动态行为分析，仍需将生热分析与冷却结构优化有效联系，实现轴承温升主动控制；冷却结构设计与参数优化方面，拓扑优化结构常难制造，主动热控制依赖高精度传感器和实时控制系统、实施成本高，而在给定工程约束下逐步比较选择冷却通道几何参数仍是可行技术路线。现有针对滚动轴承系统的冷却通道设计，对通道类型、截面形状、螺旋圈数和截面尺寸等几何因素多分别研究，缺少一致工况和统一评价框架下的顺序比较，温度降低、热变形抑制与流阻之间的综合权衡也未系统解决。为此，研究人员以滚动轴承系统为对象，结合实验与流-热-结构耦合（fluid–thermal–structural coupling，将流场、温度场和结构热变形顺序耦合的分析方法）仿真，研究冷却条件和通道几何参数对热特性的影响，并对冷却结构进行逐步比较与选择。研究人员先搭建集成单螺旋冷却通道的滚动轴承系统冷却实验平台，在不同冷却水条件下测试温度分布，分析冷却参数对温升的影响，为仿真模型提供边界条件和验证基准；再基于传热与摩擦学理论确定轴承生热特征和传热边界条件，建立流-热-结构耦合仿真模型，用实验数据评估温度预测能力，并分析轴承系统温度分布和热变形特征；最后依次对冷却通道类型、截面几何、螺旋圈数和截面尺寸进行比较与选择，获得优选冷却通道配置，并通过冷却功率校核评估可行性。该研究形成了连接轴承生热分析、实验表征冷却条件与冷却通道几何设计和评价的连续工程分析框架，对滚动轴承热管理具有参考意义。
关键技术方法概括（不超过250字）：研究人员搭建滚动轴承冷却实验台，采用62/22深沟球轴承，轴承座为3D打印铝合金件并内置单螺旋冷却通道，通道为圆形截面、直径3 mm、3.75圈、单进单出；实验转速7000 rpm、径向载荷1000 N、环境温度21°C，冷却水流量0.42–1.70 L/min、入口温度19–23°C，采用KEENWISE IT11A非接触红外测温仪（发射率0.95，指定精度±1.5°C）测量轴承内圈、外圈、轴承座外表面和出口附近表面温度，每点两次读数取平均；仿真在ANSYS Workbench中采用顺序耦合，Fluent求解流场与温度场，Steady-State Thermal计算固体温度场，Static Structural计算热变形，采用标准k–ε模型和标准壁函数，基于Palmgren公式计算轴承生热，采用50%/30%/20%的球/内圈/外圈热分配基准，并进行网格敏感性分析；本研究未涉及样本队列。
研究结果方面，2.1 Experimental platform setup（实验平台搭建）：研究人员搭建了滚动轴承系统冷却实验平台，轴承座经3D打印集成单螺旋冷却通道，平台包括轴承与轴承座组件、配重盘、联轴器和驱动电机，冷却系统由水冷机、管路和流量控制阀组成，并配置红外测温系统，为后续热特性实验提供条件。2.2 Experimental procedure and results（实验流程与结果）：通过不同冷却水流量和入口温度实验发现，流量由0.42 L/min增至1.70 L/min时轴承内圈温度由40.4°C降至39.4°C，超过1.06 L/min后附加降温小于0.2°C，呈收益递减；入口温度每升高1°C，内圈温度平均升高约0.6°C；在所研究范围内确定优选冷却条件为1.06 L/min、19°C，并作为后续仿真入口边界和模型验证依据。3.1 Analysis of bearing heat generation and heat transfer characteristics（轴承生热与传热特性分析）：基于Palmgren经验公式计算62/22深沟球轴承在1000 N、7000 rpm下总生热为36.4 W，按球、内圈、外圈50%/30%/20%基准分配生热，并依据旋转强制对流理论及接触热阻模型确定对流换热系数和界面接触热阻，作为耦合仿真边界条件。3.2 Fluid–thermal–structural coupling simulation（流-热-结构耦合仿真）：研究人员在ANSYS Workbench中建立顺序耦合模型，Fluent求解冷却水流动与温度场，再将流固传热信息传递至Steady-State Thermal计算固体温度场，最后将温度场映射至Static Structural计算热变形；网格敏感性分析表明温度响应、流速和壁面传热预测在细化网格上数值稳定性较好，而压降绝对预测对局部网格更敏感，因此后续压降主要作为一致数值设置下不同配置水力性能的比较指标。3.3 Thermal characteristic analysis without cooling water（无冷却水热特性分析）：无冷却水稳态仿真显示系统最高温度为67.0°C并位于轴承内圈，最大径向热变形达104 μm，表明无强制冷却时热量难以及时散出，冷却结构设计具有必要性。3.4 Simulation results and experimental validation under cooling water conditions（冷却水条件下仿真结果与实验验证）：多工况仿真与实验温度趋势一致，轴承内圈、外圈和轴承座30对数据绝对偏差为0.3–0.9°C，平均绝对误差（MAE，mean absolute error）为0.60°C、均方根误差（RMSE，root mean square error）为0.63°C、最大绝对偏差为0.90°C；在1.06 L/min、19°C下轴承内圈温度为39.0°C，较无冷却水67.0°C降低41.8%，最大径向热变形为13.7 μm；热分配敏感性分析显示最高系统温度在39.01–39.46°C范围且仍位于内圈，最大径向热变形在13.58–14.33 μm范围，热变形对热分配假设相对更敏感。4.1 Selection of cooling channel type（冷却通道类型选择）：研究人员比较轴向循环、周向循环、并联和双进双出双螺旋四种冷却结构，双螺旋通道进出口温差仅0.9°C，最高系统温度37.5°C、最大径向热变形7.8 μm，均优于其他结构；在不同流量和入口温度下仍保持最低系统温度，故选为后续参数比较的基础结构。4.2 Comparison and selection of cooling channel cross-sectional geometry（冷却通道截面几何比较与选择）：在保持流通面积和轴承座去材体积不变条件下比较圆形、半圆形和矩形截面，矩形截面进出口温差0.7°C、最高系统温度37.1°C，半圆形为0.8°C和37.3°C，圆形为0.9°C和37.5°C，矩形冷却性能最佳并被选为后续截面几何。4.3 Comparison and selection of the number of helical turns（冷却通道螺旋圈数比较与选择）：比较2、2.5、3、3.5、4、5圈配置，冷却水出口温度由2圈20.6°C降至4圈19.6°C，5圈几乎不变；4圈最大径向热变形9.6 μm，低于2圈15.4 μm和5圈19.0 μm；5圈较4圈仅降低最高系统温度0.1°C但热变形明显增大，综合温度与热变形选择4圈。4.4 Comparison and selection of cooling channel cross-sectional dimensions（冷却通道截面尺寸比较与选择）：对矩形通道宽度3.0、3.2、3.4、3.6、3.8、4.0 mm和深度1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm共30种方案，以冷却水最大温差ΔT和通道压力损失ΔP为双指标比较；小尺寸ΔT较低但ΔP较高，深度对ΔT影响大于宽度，3.2 mm×2.0 mm方案在ΔP较低、ΔT可控且占用结构空间较小方面较优，故被选中。4.5 Performance evaluation of the selected structure（所选结构性能评价）：最终结构为双进双出双螺旋通道、矩形截面、4圈、3.2 mm×2.0 mm；仿真显示最高系统温度36.6°C、最大径向热变形9.3 μm、冷却水温升约0.6°C；按Q(c)=c×q×ΔT计算冷却功率为45.1 W，高于轴承生热36.4 W，计算冷却功率与生热比约1.24，高于文献参考值1.15:1，表明所选结构在所考虑工况下具有较好的热性能和散热能力。
讨论部分总结：研究人员采用逐步参数比较，前一阶段所选设计作为下一阶段基础，因此所得结构是在本研究工况和参数范围内候选配置中综合性能最佳者，不应解释为所有可能参数组合的全局最优；实验验证针对已建立的流-热-结构耦合模型，最终所选双螺旋冷却结构未直接进行实验验证；实验轴承转速和径向载荷分别固定为7000 rpm和1000 N，最终结构在更宽转速、径向载荷和冷却条件范围以及不同几何参数交互作用下的性能仍需进一步研究。模型简化、经验对流换热系数、实际通道壁面条件和附加热阻使模拟温度总体略低于实验值；压降绝对预测对网格较敏感；出口区域红外表面温度不等于离开通道的冷却液体温度，仅作为出口区域热状态辅助指标；每个测点仅两次读数取平均且未独立重复试验，不足以建立基于实验重复性的标准差或误差棒，模型评估依据仪器指定精度、多工况趋势一致性和整体误差统计。
研究结论翻译：（1）轴承是滚动轴承系统的主要热源；在转速7000 rpm、径向载荷1000 N下，轴承总生热计算为36.4 W。在所研究冷却水参数范围内，实验和仿真结果表明1.06 L/min为优选冷却水流量，19°C为所研究入口温度中系统温度最低者；采用这些冷却参数后，系统最高温度由无冷却时的67.0°C降至39.0°C，降低41.8%，最大径向热变形由104 μm降至13.7 μm，说明该冷却策略对抑制热变形有效。（2）在所研究冷却水条件下，仿真与实验测量温度趋势一致，绝对偏差为0.3–0.9°C，表明所建立模型能合理再现滚动轴承系统温度响应；模拟温度总体略低于实验值，主要由于模型简化、经验对流换热系数、实际通道壁面条件和附加热阻。基于该验证，进一步分析表明系统最高温度位于轴承内圈，最大径向热变形位于轴承上部滚动体区域；冷却通道内高温区位于出口附近，高速区主要分布在90°进出口弯头。（3）通过冷却通道类型、截面几何、螺旋圈数和截面尺寸的逐步参数比较与选择，在所研究设计范围内综合性能最佳的结构为双进双出双螺旋冷却通道、4圈、3.2 mm×2.0 mm矩形截面；仿真显示该配置下系统最高温度降至36.6°C，最大径向热变形为9.3 μm，模拟冷却水温升约0.6°C，表明在保持系统热变形较低水平的同时改善了温度控制和冷却均匀性。（4）冷却功率校核表明，在指定工况和计算参数下，所选结构计算冷却功率为45.1 W，计算冷却功率与轴承生热比约1.24，高于所采用参考值1.15，表明所选结构在本研究所考虑工况下提供了足够的计算冷却能力以满足轴承散热需求。