自潤滑關(guān)節(jié)軸承固化工藝的有限元模擬研究*

應(yīng)盛盛，楊曉翔

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建福州350116)

0 引 言

自潤滑關(guān)節(jié)軸承具有自潤滑和承載力大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通、輕工等高科技領(lǐng)域［1］，而且自潤滑作用的襯墊材料是影響關(guān)節(jié)軸承整體性能及壽命的關(guān)鍵因素。PTFE(聚四氟乙烯)編織物具有一系列優(yōu)良的使用性能:耐高溫—長期使用溫度200 ℃～260 ℃;耐低溫—在－100 ℃時仍柔軟;耐腐蝕—能耐王水和一切有機(jī)溶劑;耐氣候—塑料中最佳的老化壽命;高潤滑—具有塑料中最小的摩擦系數(shù)(0．04);不粘性—具有固體材料中最小的表面張力而不粘附任何物質(zhì);無毒害—具有生理惰性;優(yōu)異的電氣性能—是理想的C 級絕緣材料，報(bào)紙厚的一層就能阻擋1 500 V的高壓;比冰還要光滑。由于其極低的摩擦系數(shù)、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)而被認(rèn)為是自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊理想材料［2-4］。

但因?yàn)镻TFE 材料特殊的物理、化學(xué)性能，其與金屬表面粘合質(zhì)量不理想這一現(xiàn)象一直以來受到廣泛的關(guān)注。目前國內(nèi)外學(xué)者對于非金屬材料粘合金屬的研究主要集中在襯墊表面處理、粘合劑的改性等方面。柏耀星［5］對比分析研究了同型號國產(chǎn)與進(jìn)口PTFE/芳綸織物襯墊自潤滑關(guān)節(jié)軸承的粘結(jié)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)國外關(guān)節(jié)軸承襯墊粘結(jié)質(zhì)量要優(yōu)于國產(chǎn)關(guān)節(jié)軸承。苗艷偉［6］通過對PTFE/芳綸纖維復(fù)合編織襯墊進(jìn)行氧化鈰處理，改善了纖維與黏合劑之間的浸潤性，使得襯墊的粘接性能顯著提高。南輝［7］制備了經(jīng)表面化學(xué)活化的3 種純聚四氟乙烯(PTFE)板和1 種聚苯酯填充PTFE 板，并用兩類環(huán)氧粘合劑DG-3S 和JF205-1 對這4種PTFE 板與不銹鋼進(jìn)行了粘接，發(fā)現(xiàn)DG-3S 粘合劑不適合高溫下對PTFE 板/不銹鋼的粘接，而JF205-1粘接聚苯酯填充PTFE 板/不銹鋼的實(shí)際粘接性能較好且具有高的耐磨性能和抗蠕變性。李喜［8］利用高壓單極性脈沖電源對PTFE 膜表面改性后，發(fā)現(xiàn)其薄膜表面親水性能改善十分顯著。陳扶東［9］用共混-冷壓-燒結(jié)技術(shù)制備MoS2、聚酰亞胺和芳綸纖維填充PTFE 符合材料，實(shí)驗(yàn)證明該復(fù)合材料有更好的力學(xué)性能。陳虹［10］分析了聚四氟乙烯難粘的原因綜合表述了PTFE 表面處理方法，展望了解決聚四氟乙烯材料難粘難題的研發(fā)方向。而對于自潤滑關(guān)節(jié)軸承襯墊的固化工藝的研究卻鮮見報(bào)道。

本研究選取GE100ET-2RS 自潤滑關(guān)節(jié)軸承為研究對象，利用ANSYS 軟件對其整個固化工藝流程進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對軸承、襯墊及相關(guān)工藝零件在固化工藝中的等效應(yīng)力、接觸應(yīng)力的分布以及其影響因素進(jìn)行探討。

1 關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)及固化工藝流程

關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)尺寸及固化工藝裝配圖如圖1 所示。GE100ET-2RS 關(guān)節(jié)軸承主要尺寸圖如圖1(a)所示。

圖1 關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)尺寸及固化工藝裝配圖

其外圈單開縫，材料為軸承鋼，淬火，磷化，內(nèi)球面粘貼約0．4 mm 厚度的PTFE 編織物;內(nèi)圈材料也為軸承鋼，淬火，球面鍍硬鉻，其材料參數(shù)［11］如表1所示。

表1 GCR15 與PTFE 材料參數(shù)

在對該關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行固化工藝前，本研究將PTFE襯墊初步粘合在外圈的內(nèi)球面上，然后撐開粘有PTFE襯墊的外圈，壓入內(nèi)圈，再將整個軸承通過壓力機(jī)壓入一個工藝套環(huán)內(nèi)。套環(huán)與軸承外圈屬于過盈配合，因此套環(huán)會給予外圈一個徑向的壓力，間接地使襯墊與外圈內(nèi)圈之間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，使得PTFE 襯墊能夠與外圈內(nèi)球面上的粘合劑充分接觸，從而提高粘合效率。固化時將軸承連同套環(huán)一起放入加溫室里，加溫至175 ℃，保持一段時間后，冷卻。最后將軸承從套環(huán)中取出。

2 關(guān)節(jié)軸承固化工藝有限元模擬

2．1 有限元模型的建立

本研究利用有限元分析軟件 ANSYS 對GE100ET-2RS 關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行固化工藝的模擬，可以得到在固化工藝各個階段軸承體內(nèi)和工藝套環(huán)中的應(yīng)力分布，以及它們之間的接觸應(yīng)力的變化。但為了更有效地計(jì)算，需要對原模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。由于GE…ET 系列軸承外圈為開縫，整體結(jié)構(gòu)非軸對稱，不能簡化成部分模型。但軸承的倒角、密封圈槽以及內(nèi)外圈之間的游隙這些細(xì)微之處因?yàn)閷δM結(jié)果影響較小，可以省略。本研究采用間接法建立有限元模型，即先建立幾何外型，然后再劃分成節(jié)點(diǎn)及單元，該有限元模型與實(shí)際關(guān)節(jié)軸承幾何外型及尺寸一致。為了模擬實(shí)際的工作情況，本研究在軸承內(nèi)圈與襯墊之間、外圈與套環(huán)之間以及外圈縫隙之間分別設(shè)置接觸對。

本研究在ANSYS 中采用熱力耦合間接法進(jìn)行模擬分析，在熱分析階段采用20 節(jié)點(diǎn)的SOLID90 熱分析單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際熱工藝情況在整個軸承結(jié)構(gòu)包含工藝套環(huán)的裸露在空氣中的表面施加熱載荷，在相互接觸的面上定義熱接觸，以使傳熱情況與真實(shí)情況相符;在結(jié)構(gòu)分析中將單元轉(zhuǎn)化為同樣有20 節(jié)點(diǎn)的SOLID186 結(jié)構(gòu)分析單元進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，對工藝套環(huán)一端面設(shè)定固定約束。此外由于內(nèi)外圈過盈的關(guān)系，結(jié)構(gòu)分析時的外載荷即為內(nèi)外圈(襯墊)之間為克服過盈量而達(dá)到緊密接觸狀態(tài)所產(chǎn)生的相互擠壓力。

模型采用熱力耦合瞬態(tài)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。這樣可以得到每點(diǎn)溫度下模擬的結(jié)果，以便更直觀地描述溫度對軸承固化工藝的影響。

為了盡量接近實(shí)際工藝情況，在熱分析的時候，本研究對軸承施加的溫度載荷如圖2 所示。

圖2 溫度-時間加載曲線

2．2 結(jié)果與分析

在經(jīng)過熱力耦合計(jì)算后得出GE100ET-2RS 關(guān)節(jié)軸承、襯墊以及工藝套環(huán)中的Von Mises 等效應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 加溫前后套環(huán)Von Mises 等效應(yīng)力

可以看到，在加溫固化之前，襯墊和套環(huán)中最大等效應(yīng)力分別為0．86 MPa，15．8 MPa。其中，套環(huán)和襯墊由于倒角和外圈開縫的原因造成的應(yīng)力集中，其最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在邊角、縫隙處。

隨著固化溫度的升高，軸承各部分熱膨脹產(chǎn)生位移加大，等效應(yīng)力也隨之加大。固化溫度175 ℃時，套環(huán)沿軸向中部區(qū)域的等效應(yīng)力平均比在20 ℃時增加了約1～2 倍左右。而PTFE 編織物材料較金屬彈性模量較小，且熱膨脹系數(shù)更大，所以加熱之后，襯墊變形量大于其他部分，從而襯墊加熱后等效應(yīng)力大約為加熱前5～10 倍左右。

不同溫度條件下兩個接觸面上接觸應(yīng)力沿Z 向(軸向)分布曲線如圖4 所示?？梢钥吹揭r墊-內(nèi)圈最大接觸壓力在175 ℃時為0． 67 MPa，在20 ℃時約0．33 MPa，均處于接觸區(qū)域中心位置;而同樣，套環(huán)-外圈加熱前后最大接觸應(yīng)力分別為3．9 MPa，6．9 MPa，處于接觸區(qū)域兩端位置，即外圈邊緣區(qū)域，而外圈套環(huán)接觸中心區(qū)域加熱前后的接觸應(yīng)力分別約為2．1 MPa，3．4 MPa。

因此，根據(jù)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在加溫175 ℃的固化溫度下，襯墊-內(nèi)圈的接觸應(yīng)力值是20 ℃下的接觸應(yīng)力值的大約2 倍左右。而套環(huán)-外圈的接觸應(yīng)力值在升溫前后變化約為1．77 倍左右。此外，還可以發(fā)現(xiàn)，在套環(huán)和外圈接觸中，由于結(jié)構(gòu)邊角的應(yīng)力集中造成接觸應(yīng)力在軸向上分布規(guī)律為中間小兩邊大的趨勢。而在襯墊-內(nèi)圈接觸中，接觸中部區(qū)域應(yīng)力值較大，而在襯墊邊緣附近較小。

圖4 不同溫度下接觸應(yīng)力沿軸向分布圖

3 襯墊剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及分析

3．1 固化壓力對襯墊剝離強(qiáng)度的影響

對于襯墊粘結(jié)金屬的粘結(jié)質(zhì)量可以用襯墊的剝離強(qiáng)度表示。剝離強(qiáng)度為使襯墊從被粘合金屬表面完全剝離下來的平均應(yīng)力。

影響PTFE 編織襯墊與金屬粘合質(zhì)量的因素有很多，如膠層的厚度、金屬被粘時溫度、固化的溫度、固化時間、固化壓力等等。

而固化壓力是襯墊粘結(jié)工藝中對粘合質(zhì)量一個最重要也是最直接的參數(shù)。適當(dāng)增加壓力，可以保證膠層與金屬表面緊密接觸，有利于擴(kuò)散、滲透、排除膠層中的氣體，使膠層均勻致密。

但是固化加壓值需要大小適宜，壓力太大，膠層溢出;壓力太小，或者不均勻，將會使膠層中產(chǎn)生氣孔，膠層與金屬表面實(shí)際接觸面積不夠。因此，壓力過大或過小都會影響襯墊粘結(jié)金屬的粘結(jié)質(zhì)量。眾多研究結(jié)果表明，固化壓力值在一定范圍內(nèi)，襯墊的剝離強(qiáng)度隨著固化壓力的提高而提高，超出該范圍則剝離強(qiáng)度會大大降低，甚至導(dǎo)致粘結(jié)失?。?2-13］。

3．2 剝離強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了更直觀地描述固化壓力與PTFE 襯墊粘合性能之間的關(guān)系，本研究根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2792-81 壓敏膠粘帶180°剝離強(qiáng)度測定方法測定不同固化壓力下PTFE 襯墊與GCR15 平面粘合強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)樣品為若干尺寸相同的GCR15 金屬長條，每個金屬長條的粘合表面皆用相同的工藝處理，保證粘結(jié)表面的粗糙度等參數(shù)一致。再在粘合表面均勻涂上厚度一致的環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑，最后粘上同批PTFE 織物襯墊。

該實(shí)驗(yàn)根據(jù)施加不同固化壓力將樣品分為6 組，每組4 個樣品。然后將這6 組樣品同時放入溫控萬能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行加壓固化。施加的固化壓力分別為0．1 MPa、0．3 MPa、0．5 MPa、0．7 MPa、1．0 MPa、1．5 MPa，固化溫度為175 ℃，時間為5 h。

固化結(jié)束，筆者將試樣取出進(jìn)行剝離實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 不同固化壓力下PTFE 試樣剝離強(qiáng)度結(jié)果

從表2 中可以看到，GCR15 與PTFE 織物襯墊用環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑膠結(jié)后隨著固化壓力增加，其粘合強(qiáng)度即剝離強(qiáng)度也提高。但根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在固化壓力達(dá)到1．5 MPa 之后，環(huán)氧樹脂膠層由于受到過度擠壓，致使膠液溢出，從而導(dǎo)致膠結(jié)劑含量過少，PTFE 粘結(jié)效率大大降低，甚至無法粘連等現(xiàn)象，繼而將直接影響關(guān)節(jié)軸承的使用壽命。

4 固化工藝套環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使PTFE 襯墊與軸承外圈粘結(jié)效果更好，本研究對工藝套環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化主要目標(biāo)為適當(dāng)提高在固化工藝中襯墊接觸壓力，并且減少襯墊邊緣接觸應(yīng)力與襯墊中心區(qū)域接觸應(yīng)力之差。

優(yōu)化前、后套環(huán)尺寸變化如表3 所示。

表3 優(yōu)化前后套環(huán)尺寸變化

固化溫度為175 ℃時，優(yōu)化前后襯墊以及套環(huán)上接觸壓力的對比如圖5 所示。

從圖5 中可以看到，優(yōu)化前襯墊平均接觸壓力為0．6 MPa，優(yōu)化后則為1．3 MPa。因此優(yōu)化后的套環(huán)在固化工藝中使襯墊邊緣接觸應(yīng)力以及中心區(qū)域接觸壓力較優(yōu)化前有明顯提高。此外，雖然套環(huán)上的接觸應(yīng)力值也隨之提高，但應(yīng)力值還是符合套環(huán)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的。因此根據(jù)以上研究中提到的固化壓力的規(guī)律，經(jīng)過套環(huán)優(yōu)化處理后，襯墊粘合強(qiáng)度理論上較優(yōu)化前增強(qiáng)。

圖5 優(yōu)化前、后接觸應(yīng)力的對比

5 結(jié)束語

本研究針對GE…ET 系列自潤滑關(guān)節(jié)軸承固化工藝進(jìn)行模擬仿真，得出在過盈配合和溫度變化的共同影響下，對固化工藝中軸承，襯墊及工藝套環(huán)中應(yīng)力分布，并著重分析了工藝過程各狀態(tài)下，襯墊上接觸應(yīng)力的數(shù)值變化。

其次，根據(jù)剝離實(shí)驗(yàn)和仿真模擬的結(jié)果，本研究利用ANSYS 對工藝套環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，得出一組較為合理的參數(shù)，通過再次仿真，發(fā)現(xiàn)固化工藝中PTFE織物襯墊的粘合性能較優(yōu)化前有明顯提高。

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