編織紋路對自潤滑關節軸承接觸應力的影響

段闖創，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.新昌縣產品質量監督檢驗所，浙江 新昌 312500)

1 前言

自潤滑編織襯墊關節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表面，與關節軸承內圈外表面形成配合面[2]。詳細結構如圖1所示。

圖1 編織襯墊關節軸承結構示意圖

襯墊的編織方式有平織和斜織，其結構如圖2所示。圖2a中粘貼在軸承外圈上的襯墊與關節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，國內外學者進行了相關研究，但只是通過襯墊的微觀結構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構復雜，常規手段無法測得其接觸部位的應力狀態。隨著計算機的發展，運用有限元仿真分析解決實際工程問題已經很普遍。下文采用有限元方法模擬編織襯墊在關節軸承上的應用，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

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

內、外圈和襯墊都采用三維可變形實體進行建模，軸承為內徑20 mm的自潤滑編織襯墊關節軸承。各部件的材料參數[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

內、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，又由于其形狀規則，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(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，分別把內圈內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 結果分析

通過有限元軟件ABAQUS進行分析，得到襯墊和內圈接觸面的接觸應力分布和襯墊接觸面上的節點位移云圖(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方向擠壓內圈，由于內圈沿受力方向固定，襯墊接觸部位受到內圈的阻礙，故沿受力方向的位移比未接觸部位的小。

圖5 襯墊與內圈接觸面間的接觸應力及襯墊位移分布

不同路徑上節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，最大接觸應力出現在路徑開始和結尾(襯墊兩端面)處，90°紋路襯墊的應力集中現象比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、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圈接觸應力以及變形量的影響，得出以下結論：

(1)由于應力集中現象，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，并且最大位移發生在非接觸區域；

(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。