編織紋路對自潤滑關節(jié)軸承接觸應力的影響

段闖創(chuàng)，邱明，康鵬飛，陳龍，李迎春

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.新昌縣產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，浙江 新昌 312500)

1 前言

自潤滑編織襯墊關節(jié)軸承使用一層編織材料作為潤滑層，由于該材料強度大、柔性好、抗沖擊、有自潤滑功能，因此廣泛應用于航空航天、鐵路、礦山機械等領域[1]。關節(jié)軸承使用最多的是PTFE和芳綸纖維編織而成的自潤滑襯墊。將其粘貼在軸承外圈內(nèi)表面，與關節(jié)軸承內(nèi)圈外表面形成配合面[2]。詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編織襯墊關節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

襯墊的編織方式有平織和斜織，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2a中粘貼在軸承外圈上的襯墊與關節(jié)軸承徑向平面所成夾角為45°，稱作45°紋路編織襯墊；圖2b中二者夾角為90°，稱作90°紋路編織襯墊。

圖2 編織襯墊示意圖

對于纖維編織材料，國內(nèi)外學者進行了相關研究，但只是通過襯墊的微觀結(jié)構(gòu)得到整體編織材料的物理性能[3-5]。而且由于編織襯墊的結(jié)構(gòu)復雜，常規(guī)手段無法測得其接觸部位的應力狀態(tài)。隨著計算機的發(fā)展，運用有限元仿真分析解決實際工程問題已經(jīng)很普遍。下文采用有限元方法模擬編織襯墊在關節(jié)軸承上的應用，進一步探討接觸應力、變形與襯墊編織紋路的關系。

2 問題簡化和建模

由于編織襯墊關節(jié)軸承整體結(jié)構(gòu)尺寸簡單，考慮到計算精度和計算時間，對其整體建模進行分析。

內(nèi)、外圈和襯墊都采用三維可變形實體進行建模，軸承為內(nèi)徑20 mm的自潤滑編織襯墊關節(jié)軸承。各部件的材料參數(shù)[5]見表1。表中，E，G，ν分別為材料的彈性模量、剪切模量和泊松比；下標1，2，3分別代表x，y，z方向。

表1 模型各部分的材料參數(shù)

內(nèi)、外圈采用GCr15軸承鋼，為各向同性材料，其彈性模量和泊松比為常數(shù)，又由于其形狀規(guī)則，故忽略倒角和外圈裂紋。而編織襯墊為各向異性體，其材料參數(shù)在各個方向不同。

在ABAQUS材料定義模塊中定義襯墊的等效材料參數(shù)(表1)，運用復合材料層合板的材料特性模擬襯墊的編織紋路，即在襯墊三維實體中建立兩層等厚度的鋪層，其纖維束方向可以自定義，夾角就是模擬的編織紋路的夾角。圖3a和圖3b分別為45°紋路襯墊和90°紋路襯墊的ABAQUS層合板模擬示意圖。采用建立參考點的方法確定邊界條件，分別把內(nèi)圈內(nèi)表面和外圈外表面約束到新建立的參考點1和參考點2上，參考點1為全約束，參考點2沿x方向施加23.863 kN的應力并約束其旋轉(zhuǎn)自由度，得到的整體模型如圖4所示。

圖3 ABAQUS層合板模擬示意圖

圖4 整體模型圖

3 結(jié)果分析

通過有限元軟件ABAQUS進行分析，得到襯墊和內(nèi)圈接觸面的接觸應力分布和襯墊接觸面上的節(jié)點位移云圖(圖5)。

從圖5a和圖5b中可以看出，襯墊最大接觸應力在接觸部位最上方的兩端面， 45°紋路襯墊最大接觸應力為207.9 MPa，90°紋路襯墊的最大接觸應力為218.7 MPa。從圖5c和圖5d中可以看出，襯墊和外圈沿x方向擠壓內(nèi)圈，由于內(nèi)圈沿受力方向固定，襯墊接觸部位受到內(nèi)圈的阻礙，故沿受力方向的位移比未接觸部位的小。

圖5 襯墊與內(nèi)圈接觸面間的接觸應力及襯墊位移分布

不同路徑上節(jié)點的接觸應力和位移如圖6所示。路徑1是襯墊接觸面與徑向平面的交線，按弧度進行劃分，頂點對應0，整個路徑從-π～π。路徑2是襯墊接觸面與軸向平面的交線，也按弧度劃分，頂點對應的為0，整個路徑是一段圓弧。

圖6 襯墊路徑示意圖

接觸面上的節(jié)點沿路徑1的接觸應力和沿載荷方向(x方向)位移分布如圖7所示。由圖可知，沿著路徑1方向，襯墊接觸應力與x方向上的位移量成反比關系，這是由接觸部位內(nèi)圈的阻礙作用引起的。兩種紋路編織襯墊接觸應力沿路徑1方向分布基本一致，x方向上的位移分布在接觸部位相差不大，但在非接觸部位，45°紋路襯墊的位移分布高于90°紋路襯墊。由此可以推斷在相同的載荷下，45°紋路襯墊的變形量略大于90°紋路襯墊。

圖7 襯墊接觸應力和x方向上的位移(路徑1)

襯墊接觸面上的節(jié)點沿路徑2方向接觸應力和x方向上的位移分布如圖8所示。由圖可知，最大接觸應力出現(xiàn)在路徑開始和結(jié)尾(襯墊兩端面)處，90°紋路襯墊的應力集中現(xiàn)象比45°紋路襯墊的明顯，且位移比45°的小。因此可以得出45°紋路襯墊整體剛度略低于90°紋路襯墊，可很好地緩解應力集中現(xiàn)象，使接觸應力分布更均勻，使軸承壽命更長。

圖8 襯墊接觸應力和x方向上的位移(路徑2)

襯墊接觸面上的節(jié)點沿路徑2的軸向(y方向)位移分布如圖9所示。由圖可知，0點對應的節(jié)點處軸向位移為零，沿路徑2向兩邊遞增。這說明當軸承受載時，由于受到內(nèi)、外圈的擠壓，襯墊體積向兩端面變大，故沿路徑2有軸向位移量；45°紋路襯墊沿路徑2上節(jié)點的軸向位移量比90°紋路襯墊的大。

圖9 襯墊軸向位移(路徑2)

4 結(jié)論

運用ABAQUS有限元軟件模擬編織襯墊編織紋路角度對襯墊和內(nèi)圈接觸應力以及變形量的影響，得出以下結(jié)論：

(1)由于應力集中現(xiàn)象，接觸應力最大值在接觸部位的兩端面，即路徑2的首尾位置，其次是路徑1對應的0點位置；

(2)由于內(nèi)圈的阻礙作用，襯墊位移與接觸應力成反比關系，并且最大位移發(fā)生在非接觸區(qū)域；

(3)在相同載荷下，45°紋路襯墊的變形量和軸向位移均大于90°紋路襯墊，即45°紋路襯墊的柔性比90°紋路襯墊好，整體接觸應力分布更均勻。