劉志剛，許曉靜，童 浩，張曉宇，楊 松，宋麗群

（江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

微動是兩個接觸面之間極小幅度位移（通常為微米量級）的周期性運動[1]。在多接觸面硫化機工作中，橫梁和底座受到?jīng)_擊交變載荷的作用，由于立柱和夾緊塊結(jié)構(gòu)的剛性不同，立柱與夾緊塊接觸面之間存在不同程度的相互微滑，即為微動。接觸部位在微動的同時產(chǎn)生的微小幅度位移的摩擦磨損加快了接觸面的失效破壞過程[2-3]。微動促進(jìn)了接觸表面磨損失效，加速了構(gòu)件的損傷，使得整個零件失效[4]。

多接觸面輪胎定型硫化機工作時立柱與夾緊塊的主承載接觸面之間的微動現(xiàn)象非常復(fù)雜，它受到接觸面面積、接觸齒數(shù)、接觸幾何形狀、摩擦因數(shù)、外載荷大小及變化趨勢等諸多因素的影響，而且這些參數(shù)又相互影響[5-6]。在眾多因素中，摩擦因數(shù)是影響微動特性的重要因素之一[7-9]。迄今為止，有關(guān)接觸面之間微動行為的研究極少。本工作以多接觸面輪胎定型硫化機為研究對象，分析摩擦因數(shù)對其主承載接觸面微動行為的影響，利用HyperMesh和Ansys軟件計算在不同摩擦因數(shù)條件下主承載接觸面節(jié)點副的相對位移和應(yīng)力，研究其變化規(guī)律，以期為多接觸面機械設(shè)計和制造提供依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

以某公司的多接觸面輪胎定型硫化機為研究對象，根據(jù)硫化機圖紙，運用SolidWorks軟件完成三維建模，建立硫化機有限元模型時忽略其中對強度和模態(tài)影響小的部件。由于多接觸面硫化機的結(jié)構(gòu)對稱性，取硫化機模型的1/2進(jìn)行分析，適當(dāng)簡化模型可減輕工作量和方便計算，提高計算精度和計算效率。多接觸面輪胎定型硫化機的1/2三維模型如圖1所示。

圖1 多接觸面輪胎定型硫化機的1/2三維模型

1.2 設(shè)置材料參數(shù)和網(wǎng)格劃分

立柱、底板和夾緊塊材料選擇45#鋼，其余零件材料選擇Q235-A鋼，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

由于多接觸面硫化機的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為適應(yīng)不規(guī)則的形狀，在保證設(shè)計精度的同時節(jié)省計算時間，將零件網(wǎng)格劃分為四面體單元，有限元單元采用Solid45單元。運用HyperMesh軟件中的tetramesh功能直接對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小控制在6～30 mm。為了節(jié)省計算時間和計算資源，滿足接觸條件，受力的關(guān)鍵零件劃分的網(wǎng)格尺寸較小，零件網(wǎng)格劃分如圖2所示。硫化機中所有零件接觸采用面面接觸方式，接觸面為conta172單元，目標(biāo)單元為targe169單元。

圖2 多接觸面輪胎定型硫化機有限元模型網(wǎng)格和邊界條件

1.3 邊界條件

對多接觸面硫化機工作情況進(jìn)行瞬態(tài)模擬分析。為了模擬硫化機在實際工作中的受力情況，在硫化機的橫梁和底座上施加大小相等、方向相反的作用力。以此時立柱與夾緊塊主承載面的變形情況來表征硫化機某一時刻所受應(yīng)力和相應(yīng)的微動情況。

（1）取硫化機的1/2模型進(jìn)行分析，在對稱面上加對稱約束，控制對稱面之間的位移約束。

（2）硫化機的橫梁和底座受力面均有675個受力點，在每個節(jié)點上施加1 333＋200sin（2πt） N的均布載荷（施加方式及施加面如圖2所示），以模擬工作載荷1 800 kN。

（3）在硫化機底座實際固定處施加位移約束，限制硫化機剛體的移動。

為了便于描述由于摩擦因數(shù)變化帶來的影響，將硫化機的立柱與夾緊塊之間接觸面的節(jié)點進(jìn)行編號。A，B，C分別表示主、第二和第三接觸面，1，2，3，4分別為立柱上的節(jié)點編號，與之相對應(yīng)的1′，2′，3′，4′為夾緊塊上的節(jié)點編號，如圖3所示。

圖3 多接觸面輪胎硫化機立柱與夾緊塊接觸面和節(jié)點編號

2 仿真結(jié)果及分析

為了研究多接觸面輪胎定型硫化機接觸面之間摩擦因數(shù)對微動行為的影響，使用HyperMesh軟件前處理和Ansys軟件后續(xù)計算仿真，通過改變接觸面之間的摩擦因數(shù)，對硫化機進(jìn)行大變形非線性瞬態(tài)分析計算，分析時間為1S（所施加外載的一個計算周期）。通過計算，提取硫化機立柱與夾緊塊主承載面的節(jié)點副（A1表示立柱1節(jié)點和夾緊塊1′節(jié)點副，A2，A3和A4以此類推）的相對位移即微動位移和應(yīng)力，分析不同摩擦因數(shù)對微動和應(yīng)力的影響。

對立柱與夾緊塊接觸面之間的結(jié)構(gòu)仿真分析中，取7種不同的摩擦因數(shù)（分別為0，0.05，0.1，0.15，0.3，0.5和0.9），用相同的有限元模型進(jìn)行計算分析。

2.1 主承載面微動分析

不同摩擦因數(shù)對硫化機立柱與夾緊塊主承載面節(jié)點副的相對位移變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，A1和A4節(jié)點副的相對位移變化規(guī)律基本一致，微動基本相近，A2和A3節(jié)點副也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，說明在硫化機工作過程中，硫化機受力平穩(wěn)。當(dāng)摩擦因數(shù)不大于0.15時，立柱與夾緊塊主承載面之間的相對位移很小，摩擦因數(shù)對微動的影響甚微；當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3時，隨著摩擦因數(shù)的增大，微動位移顯著增大。由此可知，增大摩擦因數(shù)會導(dǎo)致機器微動行為加劇，磨損增大。為了減小硫化機在工作時主承載面的微動，延長硫化機的使用壽命，應(yīng)合理選擇零件的制造材料和加工粗糙度，建議摩擦因數(shù)應(yīng)控制在不大于0.15。

圖4 不同摩擦因數(shù)對各節(jié)點副微動的影響

2.2 主承載面接觸點應(yīng)力分析

相同載荷、不同摩擦因數(shù)（分別為0.15和0.9）條件下立柱與夾緊塊主承載面節(jié)點副的應(yīng)力變化曲線如圖5所示。

圖5 不同摩擦因數(shù)下主承載面立柱與夾緊塊節(jié)點副應(yīng)力分布

從圖5可以看出：摩擦因數(shù)不同導(dǎo)致相同節(jié)點處的應(yīng)力有一定的差異；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.15時，4個節(jié)點副的應(yīng)力都不相等，但相差較??；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.9時，A2和A3、A1和A4節(jié)點副的應(yīng)力分別趨于相當(dāng)，但是A2和A3與A1和A4之間的應(yīng)力差異較大，且立柱接觸齒齒根與夾緊塊的接觸邊緣應(yīng)力大于立柱接觸齒邊緣與夾緊塊的內(nèi)部的應(yīng)力；在摩擦因數(shù)較大的情況下，立柱與夾緊塊所受的應(yīng)力相對較小。

3 結(jié)論

摩擦因數(shù)對多接觸面定型硫化機立柱與夾緊塊主承載面之間的微動行為影響比較顯著。當(dāng)摩擦因數(shù)不大于0.15時，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動位移、接觸應(yīng)力變化均很小。當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3時，隨著摩擦因數(shù)的增大，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動位移顯著增大，但是接觸應(yīng)力有所下降。摩擦因數(shù)是影響硫化機疲勞壽命的重要因素，減小摩擦因數(shù)會使硫化機的疲勞壽命相應(yīng)提高。

綜上所述，在多接觸面輪胎定型硫化機的設(shè)計和實際使用過程中，應(yīng)特別注意接觸表面的質(zhì)量，即摩擦因數(shù)應(yīng)不大于0.15。