摩擦因數對多接觸面輪胎定型硫化機主承載接觸面微動行為的影響

劉志剛，許曉靜，童 浩，張曉宇，楊 松，宋麗群

（江蘇大學 先進制造與現代裝備技術工程研究院，江蘇 鎮江 212013）

微動是兩個接觸面之間極小幅度位移（通常為微米量級）的周期性運動[1]。在多接觸面硫化機工作中，橫梁和底座受到沖擊交變載荷的作用，由于立柱和夾緊塊結構的剛性不同，立柱與夾緊塊接觸面之間存在不同程度的相互微滑，即為微動。接觸部位在微動的同時產生的微小幅度位移的摩擦磨損加快了接觸面的失效破壞過程[2-3]。微動促進了接觸表面磨損失效，加速了構件的損傷，使得整個零件失效[4]。

多接觸面輪胎定型硫化機工作時立柱與夾緊塊的主承載接觸面之間的微動現象非常復雜，它受到接觸面面積、接觸齒數、接觸幾何形狀、摩擦因數、外載荷大小及變化趨勢等諸多因素的影響，而且這些參數又相互影響[5-6]。在眾多因素中，摩擦因數是影響微動特性的重要因素之一[7-9]。迄今為止，有關接觸面之間微動行為的研究極少。本工作以多接觸面輪胎定型硫化機為研究對象，分析摩擦因數對其主承載接觸面微動行為的影響，利用HyperMesh和Ansys軟件計算在不同摩擦因數條件下主承載接觸面節點副的相對位移和應力，研究其變化規律，以期為多接觸面機械設計和制造提供依據。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

以某公司的多接觸面輪胎定型硫化機為研究對象，根據硫化機圖紙，運用SolidWorks軟件完成三維建模，建立硫化機有限元模型時忽略其中對強度和模態影響小的部件。由于多接觸面硫化機的結構對稱性，取硫化機模型的1/2進行分析，適當簡化模型可減輕工作量和方便計算，提高計算精度和計算效率。多接觸面輪胎定型硫化機的1/2三維模型如圖1所示。

圖1 多接觸面輪胎定型硫化機的1/2三維模型

1.2 設置材料參數和網格劃分

立柱、底板和夾緊塊材料選擇45#鋼，其余零件材料選擇Q235-A鋼，材料屬性參數如表1所示。

表1 材料屬性參數

由于多接觸面硫化機的結構較為復雜，為適應不規則的形狀，在保證設計精度的同時節省計算時間，將零件網格劃分為四面體單元，有限元單元采用Solid45單元。運用HyperMesh軟件中的tetramesh功能直接對零件進行網格劃分，網格大小控制在6～30 mm。為了節省計算時間和計算資源，滿足接觸條件，受力的關鍵零件劃分的網格尺寸較小，零件網格劃分如圖2所示。硫化機中所有零件接觸采用面面接觸方式，接觸面為conta172單元，目標單元為targe169單元。

圖2 多接觸面輪胎定型硫化機有限元模型網格和邊界條件

1.3 邊界條件

對多接觸面硫化機工作情況進行瞬態模擬分析。為了模擬硫化機在實際工作中的受力情況，在硫化機的橫梁和底座上施加大小相等、方向相反的作用力。以此時立柱與夾緊塊主承載面的變形情況來表征硫化機某一時刻所受應力和相應的微動情況。

（1）取硫化機的1/2模型進行分析，在對稱面上加對稱約束，控制對稱面之間的位移約束。

（2）硫化機的橫梁和底座受力面均有675個受力點，在每個節點上施加1 333＋200sin（2πt） N的均布載荷（施加方式及施加面如圖2所示），以模擬工作載荷1 800 kN。

（3）在硫化機底座實際固定處施加位移約束，限制硫化機剛體的移動。

為了便于描述由于摩擦因數變化帶來的影響，將硫化機的立柱與夾緊塊之間接觸面的節點進行編號。A，B，C分別表示主、第二和第三接觸面，1，2，3，4分別為立柱上的節點編號，與之相對應的1′，2′，3′，4′為夾緊塊上的節點編號，如圖3所示。

圖3 多接觸面輪胎硫化機立柱與夾緊塊接觸面和節點編號

2 仿真結果及分析

為了研究多接觸面輪胎定型硫化機接觸面之間摩擦因數對微動行為的影響，使用HyperMesh軟件前處理和Ansys軟件后續計算仿真，通過改變接觸面之間的摩擦因數，對硫化機進行大變形非線性瞬態分析計算，分析時間為1S（所施加外載的一個計算周期）。通過計算，提取硫化機立柱與夾緊塊主承載面的節點副（A1表示立柱1節點和夾緊塊1′節點副，A2，A3和A4以此類推）的相對位移即微動位移和應力，分析不同摩擦因數對微動和應力的影響。

對立柱與夾緊塊接觸面之間的結構仿真分析中，取7種不同的摩擦因數（分別為0，0.05，0.1，0.15，0.3，0.5和0.9），用相同的有限元模型進行計算分析。

2.1 主承載面微動分析

不同摩擦因數對硫化機立柱與夾緊塊主承載面節點副的相對位移變化規律如圖4所示。

由圖4可知，A1和A4節點副的相對位移變化規律基本一致，微動基本相近，A2和A3節點副也呈現類似的規律，說明在硫化機工作過程中，硫化機受力平穩。當摩擦因數不大于0.15時，立柱與夾緊塊主承載面之間的相對位移很小，摩擦因數對微動的影響甚微；當摩擦因數大于0.3時，隨著摩擦因數的增大，微動位移顯著增大。由此可知，增大摩擦因數會導致機器微動行為加劇，磨損增大。為了減小硫化機在工作時主承載面的微動，延長硫化機的使用壽命，應合理選擇零件的制造材料和加工粗糙度，建議摩擦因數應控制在不大于0.15。

圖4 不同摩擦因數對各節點副微動的影響

2.2 主承載面接觸點應力分析

相同載荷、不同摩擦因數（分別為0.15和0.9）條件下立柱與夾緊塊主承載面節點副的應力變化曲線如圖5所示。

圖5 不同摩擦因數下主承載面立柱與夾緊塊節點副應力分布

從圖5可以看出：摩擦因數不同導致相同節點處的應力有一定的差異；當摩擦因數為0.15時，4個節點副的應力都不相等，但相差較??；當摩擦因數為0.9時，A2和A3、A1和A4節點副的應力分別趨于相當，但是A2和A3與A1和A4之間的應力差異較大，且立柱接觸齒齒根與夾緊塊的接觸邊緣應力大于立柱接觸齒邊緣與夾緊塊的內部的應力；在摩擦因數較大的情況下，立柱與夾緊塊所受的應力相對較小。

3 結論

摩擦因數對多接觸面定型硫化機立柱與夾緊塊主承載面之間的微動行為影響比較顯著。當摩擦因數不大于0.15時，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動位移、接觸應力變化均很小。當摩擦因數大于0.3時，隨著摩擦因數的增大，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動位移顯著增大，但是接觸應力有所下降。摩擦因數是影響硫化機疲勞壽命的重要因素，減小摩擦因數會使硫化機的疲勞壽命相應提高。

綜上所述，在多接觸面輪胎定型硫化機的設計和實際使用過程中，應特別注意接觸表面的質量，即摩擦因數應不大于0.15。