賀小龍， 羅 斌， 莊征宇， 杜方孟， 劉文松

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

關(guān)節(jié)軸承一般情況下在低速下作擺動(dòng)、傾斜和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)為球面。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、承載能力大,廣泛用于航空、城軌、工程機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。

金屬關(guān)節(jié)軸承主要由內(nèi)球面外圈、外球面內(nèi)圈和耐磨襯套等組成[4-5]。目前，國內(nèi)外主要在關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)、耐磨材料的選擇和有限元分析計(jì)算等方面對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行了研究[6-7]。曲慶文等[5]根據(jù)關(guān)節(jié)軸承的工作特性討論了關(guān)節(jié)軸承的應(yīng)用及性能分析,為關(guān)節(jié)軸承的正確選用和進(jìn)一步分析計(jì)算提供依據(jù)；熊尉伶等[8]論述了金屬基固體自潤滑軸承的特性，提出了具體案例的尺寸設(shè)計(jì)，為固體自潤滑軸承的正確選用和進(jìn)一步分析計(jì)算提供依據(jù)；楊麗穎等[9]論述了固體自潤滑軸承的特性、設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況，并對(duì)無油自潤滑提高使用壽命進(jìn)行了一定的研究；李科委等[10]介紹了襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承的發(fā)展過程、現(xiàn)狀和趨勢(shì)；文獻(xiàn)[11]對(duì)大型推力關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行有限元仿真分析，研究了關(guān)節(jié)軸承在軸向載荷、純徑向載荷和軸向、徑向復(fù)合載荷3 種情況下接觸應(yīng)力、球體內(nèi)孔徑向變形及軸向變形的變化規(guī)律，指出了內(nèi)孔徑的最大變形可作為確定軸承與軸配合間隙的理論依據(jù)。但是對(duì)有軌電車用新型鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承的相關(guān)研究較少。

因此，研制出一種新型結(jié)構(gòu)的鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承，針對(duì)普通關(guān)節(jié)軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行一定的優(yōu)化，設(shè)計(jì)滿足車輛運(yùn)行工況要求，該結(jié)構(gòu)采用碗狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、球形滑動(dòng)接觸面大，提升其承載能力。耐磨襯套的合理使用，實(shí)現(xiàn)自潤滑并延長使用壽命，最終通過有限元分析計(jì)算和疲勞試驗(yàn)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。1運(yùn)動(dòng)分析

固定鉸接裝置具備的基本功能需滿足前后車廂間3種基本運(yùn)動(dòng)如圖1所示。

(1)前后車廂相對(duì)于鉸接裝置X方向的側(cè)滾運(yùn)動(dòng)；

(2)前后車廂相對(duì)于Y軸方向的俯仰運(yùn)動(dòng)；

(3)前后車廂在相對(duì)于Z軸方向的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 固定鉸接裝置三向基本相對(duì)運(yùn)動(dòng)

2 鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)

鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承主要由內(nèi)球面外圈、外球面內(nèi)圈、外座套和耐磨襯套等組成，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)能滿足固定鉸接三向基本相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求，其中外球面內(nèi)圈外表面采用球面設(shè)計(jì)，并使用螺栓與外座套緊固，主要作用為垂向提供接觸面，保證耐磨襯套不發(fā)生脫落，螺栓的使用有利于拆解和分析；內(nèi)球面外圈內(nèi)外表面都采用球面設(shè)計(jì)能增大球形滑動(dòng)接觸面，使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)；耐磨襯套材料的使用，具有自潤滑等特性，其中金屬基體承受載荷，特殊配方的固體潤滑材料起潤滑作用。

圖2 鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承組成圖

3 有限元分析計(jì)算

3.1 分析模型及疲勞工況參數(shù)

利用ABAQUS和FE-SAFE軟件對(duì)球鉸進(jìn)行有限元分析，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立3D模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型劃分如圖3所示。其疲勞加載工況根據(jù)固定鉸接裝置的裝車實(shí)際運(yùn)行情況而定，如表1所示。

圖3 鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承 有限元分析網(wǎng)格劃分

加載方向軸向/kN徑向/kN動(dòng)載±40±75

3.2 材料的選擇

鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承主要選用不銹鋼材料，而耐磨襯套的選用需考慮其強(qiáng)度以及潤滑性能。材料的選擇及性能要求如表2所示，其中外座套和外球面內(nèi)圈采用同一種材料。

表2 金屬關(guān)節(jié)軸承各個(gè)部件性能

3.3 應(yīng)力分布

有限元分析軟件計(jì)算關(guān)鍵部件的疲勞壽命。工況1：徑向和軸向兩向受壓，分別為FX=-45 kN和FZ=-75 kN；工況2：徑向和軸向兩向受拉，分別為FX=+45 kN和FZ=+75 kN。其應(yīng)力分布云圖分別如圖4和圖5所示。

根據(jù)疲勞工況下的應(yīng)力分布云圖，修正的疲勞壽命曲線σo-σALT的關(guān)系曲線[12]如圖6所示，根據(jù)圖6可形成關(guān)系式：

圖4 疲勞工況FX=-45 kN和FZ=-75 kN應(yīng)力分布情況

(1)

根據(jù)等效損傷進(jìn)行換算。即原載荷譜對(duì)產(chǎn)品的損傷等于新載荷下循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的損傷[13]。

(2)

(3)

(4)

其中σo為抗拉強(qiáng)度；σMIN為最小應(yīng)力；σMAX為最大應(yīng)力；σALT為循環(huán)應(yīng)力；σMEAN為平均應(yīng)力；σEQUIV為等效應(yīng)力。

疲勞壽命計(jì)算如式[13]：

(5)

根據(jù)圖7中擬合曲線結(jié)合圖4、圖5有限元分析可知：

圖5 疲勞工況FX=+45 kN和FZ=+75 kN應(yīng)力分布情況

圖6 修正的疲勞壽命曲線

疲勞工況下，使用S-N曲線對(duì)產(chǎn)品各部件進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該產(chǎn)品的各部件的疲勞壽命都大于107，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 型式試驗(yàn)

金屬關(guān)節(jié)通過專用工裝固定在專用疲勞試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行160萬次疲勞試驗(yàn)后，該工況基本模擬裝車使用工況，能夠驗(yàn)證金屬關(guān)節(jié)的疲勞壽命情況以及其耐磨襯套的磨損情況。

經(jīng)過160萬次疲勞試驗(yàn)前后鉸接金屬關(guān)節(jié)外觀對(duì)比如圖8所示。該金屬關(guān)節(jié)軸承整體外觀無明顯破壞，但是該結(jié)構(gòu)內(nèi)部球形接觸面的耐磨襯套在運(yùn)動(dòng)過程中石墨會(huì)發(fā)生磨損，產(chǎn)生小顆粒狀石墨擠出并粘在接觸面周圍，這樣有利于鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承的潤滑，提高產(chǎn)品使用壽命。

表2 疲勞壽命總結(jié)

圖7 鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承各個(gè)零部件的S-N曲線圖

圖8 產(chǎn)品試驗(yàn)前后對(duì)比圖

將耐磨襯套去除單獨(dú)分析，其零部件試驗(yàn)前后圖如圖9所示，對(duì)金屬關(guān)節(jié)的整體高度(H)和耐磨襯套的內(nèi)球徑(R)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示。由表3分析可知：金屬關(guān)節(jié)的平均高度由原來的91.118 mm下降至90.784 mm，下降了0.334 mm；耐磨襯套的內(nèi)球徑由原來的149.986 mm擴(kuò)大到150.07 mm，擴(kuò)大了0.084 mm。說明在試驗(yàn)過程中，在垂向載荷作用下，耐磨襯套的內(nèi)表面會(huì)發(fā)生磨損，磨損量約為0.084 mm，從而說明該結(jié)構(gòu)滿足整體耐磨性能要求。

圖9 耐磨襯套試驗(yàn)前后拆解圖

試驗(yàn)狀態(tài)平均值高度H/mm試驗(yàn)前91.1291.1591.0891.0691.1891.118試驗(yàn)后90.9890.5090.6090.9690.8890.784耐磨襯套內(nèi)球徑試驗(yàn)前149.99149.98149.99149.99149.98149.986R/mm試驗(yàn)后150.06150.01150.02150.05150.00150.07

5 結(jié) 論

(1) 利用S-N曲線結(jié)合有限元分析計(jì)算，鉸接金屬關(guān)節(jié)軸承各個(gè)部件均滿足疲勞壽命要求；

(2) 通過160萬次疲勞試驗(yàn)后，在垂向載荷(62±10) kN、橫向拉壓位移±50 mm、頻率0.5 Hz的工況下，其金屬關(guān)節(jié)軸承的高度下降0.334 mm，耐磨襯套內(nèi)圈球徑擴(kuò)大0.084 mm，滿足整體性能要求。