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        長(zhǎng)壽命高承載自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承研究

        2021-02-19 03:13:22許彩鳳
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)產(chǎn)品

        許彩鳳

        (福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司,福建 漳州 363000)

        0 引言

        桿端關(guān)節(jié)軸承由桿端體和向心關(guān)節(jié)軸承組合而成,可自由轉(zhuǎn)動(dòng)及在一定角度內(nèi)擺動(dòng)。廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軌道交通、風(fēng)電、核電及航天航空等領(lǐng)域的動(dòng)力傳遞和操縱系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)型的自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承,裝配普通PTFE 襯墊型向心關(guān)節(jié)軸承,能承受較大徑向載荷以及不大于0.2 倍徑向載荷的軸向載荷[1],但在要求承受大軸向力的特殊場(chǎng)合下運(yùn)用受限。

        對(duì)于要求使用壽命為5000h 的桿端關(guān)節(jié)軸承,工作時(shí)同時(shí)受徑向交變載荷103kN、徑向沖擊載荷130kN 及31.5kN的軸向載荷的作用,且長(zhǎng)期處于濕熱的惡劣環(huán)境下工作。在該工況下,若選用標(biāo)準(zhǔn)型的自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承,會(huì)出現(xiàn)以下一種或者多種復(fù)合的失效模式:1)普通PTFE 襯墊無(wú)法滿(mǎn)足5000h 使用壽命要求,甚至不到1000h 即可能出現(xiàn)襯墊磨破、磨穿。2)承受較大軸向載荷時(shí),桿端體內(nèi)裝配的向心關(guān)節(jié)軸承被推出。3)在桿端體兩端面的鉚壓處出現(xiàn)銹蝕,服役過(guò)程中可能出現(xiàn)斷裂情況。

        該文針對(duì)以上失效模式,對(duì)自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承的材料、摩擦副、熱處理方式、結(jié)構(gòu)形式及制造工藝進(jìn)行深入研究,結(jié)合先進(jìn)仿真技術(shù)、產(chǎn)品檢驗(yàn)、測(cè)試及試驗(yàn)技術(shù),研制出一款能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命、高載荷、耐腐蝕要求的產(chǎn)品。

        1 方案設(shè)計(jì)

        1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        由于該產(chǎn)品受力情況復(fù)雜,除須承受交變載荷、沖擊載荷外,還承受較大的軸向載荷。普通桿端關(guān)節(jié)軸承為向心關(guān)節(jié)軸承壓配入桿端體內(nèi)、鉚壓桿端體的眼孔外側(cè)使之包住外圈,由于桿端體材料阻止外圈軸向運(yùn)動(dòng)的截面非常小,無(wú)法承受較大的軸向力。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示:桿端體一端為臺(tái)階結(jié)構(gòu),外圈一端為法蘭結(jié)構(gòu),兩者配合使用;桿端體另一端設(shè)計(jì)成大倒角結(jié)構(gòu),外圈端溝槽翻邊鉚于此處。如此,能夠有效地提高產(chǎn)品的軸向承載能力。

        圖1 桿端關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 材料選型

        根據(jù)產(chǎn)品所承受的載荷情況,且長(zhǎng)期處于濕熱環(huán)境下,普通45 鋼、軸承鋼無(wú)法滿(mǎn)足該承載及防腐要求。綜合考慮材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗腐蝕等性能指標(biāo),桿端體材料選用高強(qiáng)合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo-GB/T3077,耐磨性強(qiáng),韌性較好,綜合力學(xué)性能高且加工性好;桿端體加工好后表面鍍鋅,使之中性鹽霧試驗(yàn)達(dá)到120h 無(wú)紅銹。向心關(guān)節(jié)軸承外圈材料選用沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb- GB/T1220,該材料擠壓成型性能較好,固溶處理后屈服強(qiáng)度數(shù)倍于45鋼,能明顯地提高產(chǎn)品的軸、徑向承載能力。向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈材料選用馬氏體不銹鋼40Cr13-GB/T1220,防腐蝕性能好,熱處理后機(jī)械性能高。表1 為常規(guī)材料與改進(jìn)材料的性能對(duì)比表[2]。

        表1 材料性能對(duì)比表

        1.3 摩擦副的研究及選型

        PTFE 襯墊主要有PTFE 復(fù)合材料和PTFE 織物兩種。有關(guān)研究數(shù)據(jù)表明PTFE 織物是目前為止摩擦系數(shù)較低的材料[3],其摩擦磨損效果非常好。為滿(mǎn)足產(chǎn)品要求,該產(chǎn)品選用一種新型PTFE 織物襯墊,該襯墊通過(guò)改善織物纖維之間的樹(shù)脂浸漬情況來(lái)提高襯墊的強(qiáng)度和磨損性能。通過(guò)基礎(chǔ)性性能測(cè)試可知,該襯墊的壽命和國(guó)際一流襯墊的使用壽命相當(dāng)。圖2 為該襯墊的壽命試驗(yàn)曲線(xiàn)圖,使用的擺頻為70cpm(每分鐘周數(shù))。該文研發(fā)的產(chǎn)品工作時(shí)擺頻很少、不到15cpm,配套該新型PTFE 織物襯墊,完全能夠滿(mǎn)足5000h的長(zhǎng)壽命要求。

        圖2 新襯墊產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

        2 仿真分析

        產(chǎn)品設(shè)計(jì)為上文所述結(jié)構(gòu),雖然可以有效地提高產(chǎn)品的軸向承載力,但是也會(huì)降低其徑向承載能力。因此須對(duì)上述結(jié)構(gòu)再優(yōu)化,在有效提高軸向承載力的同時(shí),對(duì)徑向承載能力影響不大。但與此同時(shí),增加法蘭結(jié)構(gòu)的向心關(guān)節(jié)軸承外圈因厚度增加,擠壓成形難度隨之加大。根據(jù)初步計(jì)算,如果臺(tái)階凸沿尺寸設(shè)計(jì)為2mm,其軸向壓脫力約為257kN,向心關(guān)節(jié)軸承的軸向額定靜載荷為367kN,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足產(chǎn)品不小于31.5kNd 軸向力。鑒于此,2mm 的臺(tái)階結(jié)構(gòu)尺寸較為合理,不至于使外圈擠壓成形難度加大太多圖,同時(shí)對(duì)桿端體的承載能力影響不大。為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性,對(duì)產(chǎn)品方案進(jìn)行仿真分析計(jì)算。圖3、圖4 為該新結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)所能承受最大力的仿真分析結(jié)果,圖5為常規(guī)結(jié)構(gòu)的軸向受力仿真分析結(jié)果。

        圖3 新結(jié)構(gòu)外圈法蘭端,施加103kN 徑向力+90kN 軸向力

        圖4 新結(jié)構(gòu)外圈鉚壓端,施加103kN 徑向力+70kN 軸向力

        圖5 常規(guī)結(jié)構(gòu)外圈鉚壓端,施加103kN 徑向力+25.2kN 軸向力

        將仿真結(jié)果匯總成表2,由此可知:①外圈法蘭端的承載能力比鉚壓端的高;②新結(jié)構(gòu)仿真的兩種受力情況下,軸承可承受的軸向載荷遠(yuǎn)大于要求的31.5kN,結(jié)構(gòu)安全裕度較大;③與材料為45 鋼的外圈常規(guī)結(jié)構(gòu)相比,材料為05Cr17Ni4Cu4Nb 的外圈新結(jié)構(gòu)所能承受的軸向力大幅提高。

        表2 仿真分析總結(jié)

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 產(chǎn)品裝配

        產(chǎn)品壓配如圖6 所示,由于裝入桿端體的向心關(guān)節(jié)軸承裝配前帶有端溝槽凸起,因此須在壓配模具上設(shè)計(jì)避讓槽。裝配后,由桿端體兩個(gè)端面的精度來(lái)保證軸承與桿端體的對(duì)稱(chēng)度,為此桿端體兩端面須進(jìn)行機(jī)加工。

        圖6 壓配

        將向心軸承壓配入桿端體內(nèi)孔后,再進(jìn)行鉚壓??紤]到05Cr17Ni4Cu4Nb 的材料固溶處理后硬度相對(duì)較高,回彈較大,不容易鉚壓。因此,鉚壓工藝分為3 個(gè)工步:1)工步一。按鉚壓角度為45°進(jìn)行鉚壓(鉚壓一模)。2)工步二。把鉚壓角度變?yōu)?0°進(jìn)行鉚壓(鉚壓二模)。3)工步三用平面模將鉚壓邊壓至與桿端體端面平齊即可(鉚壓三模)。圖7 和圖8 為鉚壓二模和鉚壓三模的示意圖。

        圖7 鉚壓二模

        圖8 鉚壓三模

        3.2 軸向力測(cè)試與裝機(jī)驗(yàn)證

        根據(jù)仿真分析結(jié)果,桿端關(guān)節(jié)軸承僅受軸向力時(shí),當(dāng)力加載到80kN 時(shí),鉚壓端所受應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度(725MPa)。為驗(yàn)證仿真分析計(jì)算得出的承載能力,對(duì)研制出的產(chǎn)品進(jìn)行載荷試驗(yàn)。如圖9 所示,將關(guān)節(jié)軸承水平固定在試驗(yàn)機(jī)上,向內(nèi)圈端面施加軸向力,當(dāng)軸向力在80kN 時(shí),向心關(guān)節(jié)軸承未發(fā)生變形和松動(dòng),仿真分析結(jié)果可靠。該桿端關(guān)節(jié)軸承加工好后送用戶(hù)處裝機(jī)試驗(yàn),運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)順暢,且5000h 后仍運(yùn)行正常,完全能夠達(dá)到目標(biāo)要求。

        圖9 樣件軸向力試驗(yàn)

        4 總結(jié)

        該文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行改進(jìn),使之滿(mǎn)足較大軸向力載荷的應(yīng)用要求,具體如下:1)桿端體的桿端眼一邊設(shè)計(jì)為臺(tái)階結(jié)構(gòu)、另一邊設(shè)計(jì)為大倒角結(jié)構(gòu),內(nèi)部配套的向心關(guān)節(jié)軸承外圈一端帶有法蘭結(jié)構(gòu)、另一端帶端溝槽凸起。關(guān)節(jié)軸承壓配后通過(guò)三次鉚合,將向心關(guān)節(jié)軸承外圈的端溝槽凸起翻鉚到桿端體大倒角處。2)升級(jí)零部件材料,通過(guò)仿真分析,獲得新產(chǎn)品所能承受的軸向力,初步證明其完全能滿(mǎn)足產(chǎn)品需求。3)針對(duì)產(chǎn)品5000h 壽命的要求,將配套的普通PTFE 襯墊升級(jí)為新型PTFE 襯墊,使其壽命得到大幅提高、滿(mǎn)足產(chǎn)品壽命要求。最后制造試樣件,使用試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證仿真分析結(jié)果可靠,產(chǎn)品裝機(jī)試驗(yàn)后能夠很好地服役、并且運(yùn)行5000h 未出現(xiàn)軸承脫出或者襯墊磨損、磨破等問(wèn)題。gaui 研究開(kāi)發(fā)的桿端關(guān)節(jié)軸承,比標(biāo)準(zhǔn)型的自潤(rùn)滑桿端關(guān)節(jié)軸承的壽命更長(zhǎng)、能承受的軸徑向載荷更高,能夠滿(mǎn)足承受大軸向載荷、長(zhǎng)壽命、耐腐蝕及自潤(rùn)滑的要求。

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