魏立保,牛榮軍,楊海生,鄧四二
(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.河南科技大學(xué),河南 洛陽(yáng) 471003)
應(yīng)用于航空領(lǐng)域的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承,其穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命直接影響到主機(jī)的性能。對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行性能分析首先要獲得其應(yīng)力場(chǎng)分布,而關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈間為球面接觸,到目前為止,利用解析方法求解其應(yīng)力仍有一定困難,常采用平均應(yīng)力計(jì)算,這與實(shí)際情況有較大誤差。然而,隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)和有限元方法的發(fā)展,國(guó)內(nèi)、外逐步展開(kāi)利用非線性有限元法對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行力學(xué)和摩擦學(xué)性能研究。文獻(xiàn)[1]利用ABAQUS商業(yè)軟件對(duì)自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的配合關(guān)系進(jìn)行分析,給出不同配合關(guān)系下的內(nèi)、外圈變形曲線。文獻(xiàn)[2]采用ANSYS分析計(jì)算大型推力關(guān)節(jié)軸承在軸向、徑向和聯(lián)合載荷下的應(yīng)力分布和壓力與變形關(guān)系,基于分析結(jié)果對(duì)關(guān)節(jié)軸承的配合結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[3]采用ABAQUS對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承在極限徑向載荷工況下的三維應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算;文獻(xiàn)[4]利用ANSYS對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承的球徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選擇以改善磨損性能;文獻(xiàn)[5]應(yīng)用ANSYS對(duì)復(fù)合材料端面軸承在不同載荷、轉(zhuǎn)速和表層材料厚度工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。利用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)可以方便地求解出關(guān)節(jié)軸承在各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況下的應(yīng)力分布、溫升變化等性能參數(shù),可以直觀分析關(guān)節(jié)軸承的危險(xiǎn)部位,從而判斷軸承材料是否發(fā)生破壞及其具體位置。通過(guò)關(guān)節(jié)軸承性能數(shù)值模擬分析不僅可以將產(chǎn)品的安全隱患消除在設(shè)計(jì)階段,而且可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期,能夠在保證設(shè)計(jì)要求的前提下提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。
下面采用有限元軟件ANSYS對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承在內(nèi)、外圈相對(duì)偏斜工況下進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析,考察不同偏斜角下關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈間的應(yīng)力場(chǎng)分布和最大應(yīng)力位置。
由于向心自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承主要承受徑向載荷,根據(jù)其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,取一半進(jìn)行有限元建模分析,可減少計(jì)算工作量,節(jié)約計(jì)算時(shí)間。 分析時(shí)心軸兩端固定,軸承座上端面為加載面。其配合關(guān)系如圖1所示。為了提高分析準(zhǔn)確度,采用ANSYS有限元軟件的Solid92單元對(duì)上述三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,內(nèi)圈內(nèi)徑表面、內(nèi)圈配合面和外圈外徑表面采用Conta174單元,心軸外表面、外圈配合面和軸承座外表面采用Targe170單元,從而建立三個(gè)接觸對(duì)。徑向極限靜載荷以面載荷形式施加在軸承座上端面。
圖1 裝配結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)文獻(xiàn)[1,3],為了簡(jiǎn)化模型和減少計(jì)算時(shí)間,一般將心軸和軸承座視為剛性體進(jìn)行分析,這與實(shí)際工況不符。為了說(shuō)明不同心軸和軸承座材料屬性對(duì)關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力場(chǎng)分布的影響,采用上述結(jié)構(gòu)模型對(duì)心軸和軸承座分別設(shè)為剛性體和柔性體進(jìn)行比較分析,其應(yīng)力場(chǎng)分布如圖2所示。
圖2 不同心軸和軸承座材料屬性下關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)力場(chǎng)分布
由應(yīng)力分布結(jié)果可以看出,若將心軸和軸承座視為剛性體,最大應(yīng)力位于關(guān)節(jié)軸承外圈接觸面的中間位置,然后向兩端逐步減小,比較符合余弦應(yīng)力場(chǎng)分布的理論;將心軸和軸承座作為柔性體,這時(shí)要考慮心軸和軸承座的彈性變形,可以看到由于心軸兩端固定使內(nèi)圈的變形在靠近心軸兩端處區(qū)域受到限制而產(chǎn)生較高應(yīng)力,中間位置則應(yīng)力值較小。由于內(nèi)圈應(yīng)力場(chǎng)分布的變化使得外圈的應(yīng)力場(chǎng)分布受到影響,可以看到應(yīng)力沿著外圈接觸面分布較均勻,明顯不同于余弦分布的理論假設(shè)。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際工況,應(yīng)將心軸和軸承座均視為柔性體進(jìn)行分析。
通常向心關(guān)節(jié)軸承在徑向載荷下繞著軸線進(jìn)行擺動(dòng),但對(duì)于一些特殊工況,向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈間可能發(fā)生偏斜。在極限靜載荷工況下,內(nèi)、外圈相對(duì)偏斜將對(duì)關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)力場(chǎng)分布產(chǎn)生影響。為避免有限元模型分析中產(chǎn)生應(yīng)力集中,分析中添加關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈端面倒角,考慮過(guò)渡角后的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。所分析的關(guān)節(jié)軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:內(nèi)圈尺寸Φ50 mm×35 mm(內(nèi)徑×寬度),外圈尺寸Φ75 mm×30 mm(外徑×寬度),關(guān)節(jié)軸承材料參數(shù)見(jiàn)表1。
圖3 考慮過(guò)渡角后的結(jié)構(gòu)
表1 自潤(rùn)滑向心關(guān)節(jié)軸承材料主要參數(shù)
在極限靜載荷776 kN下,考察外圈偏斜角在0~3°范圍內(nèi)對(duì)關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。關(guān)節(jié)軸承應(yīng)力場(chǎng)分布如圖4,圖5所示。
圖4 偏斜角為2°時(shí)整體分析結(jié)果
圖5 內(nèi)、外圈應(yīng)力場(chǎng)分布及局部應(yīng)力集中現(xiàn)象
從圖中可以看出,在2°偏斜角下整體應(yīng)力場(chǎng)分布明顯不同于無(wú)偏斜工況下的應(yīng)力場(chǎng)分布。偏斜角的存在使得在極限靜載荷下,內(nèi)、外圈的接觸位置和作用力大小發(fā)生變化,由于受力不再是沿著中間位置對(duì)稱分布,而使得在偏斜方向承受更大的接觸力,而在另一側(cè)則接觸力相對(duì)減小。由于受力的不對(duì)稱而在內(nèi)、外圈的兩端接觸處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,其應(yīng)力值明顯高于無(wú)偏斜工況下的最大應(yīng)力值。
圖6和圖7分別給出不同偏斜角度下外圈剖面弧長(zhǎng)處的等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)力值曲線??梢钥闯鲈谄惫r下,外圈邊緣部位會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在0~1.5°范圍內(nèi)隨著偏斜角的增大,邊緣的應(yīng)力集中也呈增大趨勢(shì),與無(wú)偏斜情況相比增加200 MPa左右;而在1.5°~3.0°范圍內(nèi)隨著偏斜角的增大,邊緣處的應(yīng)力集中則呈下降趨勢(shì),其中極限角3°時(shí)的應(yīng)力值與峰值應(yīng)力相比下降大約50 MPa。
圖6 不同偏斜角外圈接觸弧長(zhǎng)應(yīng)力分布曲線
圖7 不同偏斜角外圈最大應(yīng)力曲線
對(duì)關(guān)節(jié)軸承在內(nèi)、外圈相對(duì)偏斜工況下進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分析,結(jié)果表明,內(nèi)、外圈的相對(duì)偏斜造成受力的不對(duì)稱性,從而使內(nèi)、外圈接觸面端部出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中,當(dāng)偏斜角達(dá)到1.5°時(shí),其應(yīng)力值最大。應(yīng)力集中的出現(xiàn)將增大局部的接觸壓力,加劇自潤(rùn)滑材料的磨損,造成關(guān)節(jié)軸承的過(guò)早失效,因此在實(shí)際使用中,要合理控制關(guān)節(jié)軸承的偏心,避免發(fā)生過(guò)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。