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　　第 卷 第 期 摩 擦 学 学 报 年 月 向心关节轴承的结构优化及摩擦磨损性能研究 向定汉 王春艳 董伟锋 南京航空航天大学 材料科学与工程学院 江苏 南京 摘要 利用 有限元软件对向心关节轴承 进行结构优化 在装配尺寸不变的条件下 通过改变球径 尺寸 得到了静载荷条件下向心关节轴承球径的优化值 并对优化前后的关节轴承进行了摩擦磨损对比试验 结果表 明 将球径减小 时 关节轴承所受的最大压应力从 减小到 在磨损量一定的情况 下 结构优化后关节轴承的磨损距离 比优化前的 显著增大 关键词 向心关节轴承 摩擦磨损性能 有限元 优化设计 中图分类号 文献标识码 文章编号 作为通用机械零件 关节轴承具有转动灵活 结 况 在模型的内部引入一根轴 由于向心关节轴承具 构紧凑 易于装拆等特点 能够满足重载荷和长寿命 要求 已广泛应用于矿山 冶金 电力 交通 航天和纺 织等各类机械设备 我国针对关节轴承的研究及相 应的工业生产起步较晚 一般通过参考国外数据或根 据实际经验确定相关技术参数 缺乏科学依据 基于 此 我们将大型有限元分析软件 用于对向心 关节轴承 进行有限元分析 在保持其它 与装配相关的参数尺寸不变的情况下 通过优化关节 轴承球径尺寸 使向心关节轴承承受应力的分布更合 理 以实现优化设计 提高关节轴承寿命 实验部分 图 向心关节轴承结构示意图 结构优化 有结构对称的特点 故在创建有限元结构模型时 仅 程序是一个功能强大 集设计分析及优 取整体结构的 进行模拟 化于一体的大型通用有限元分析软件 在设计方案被 关节轴承的有限元分析采用实体建模 应用四面 采用或投产之前 利用 程序的优化设计功 体 节点的实体单元 其具有 等 能 可准确地找出其潜在的设计缺陷或确定最佳几何 个方向的自由度 适合于不规则的几何外形模拟 而 外形 缩短多样机制造 测试 再制造的研制周期 并 且计算精度较高 在进行自由网格划分时产生的节点 降低生产成本 和网格单元的数量可有所不同 有限元网格划分较 选用福建龙溪轴承股份有限公司通过引进国外 密 以便更清晰地显示向心关节轴承的应力集中区 技术研制的向心关节轴承作为研究对象 其外圈与内 域 向心关节轴承为转向多功能轴承 受 圈均经 轴承钢淬硬 弹性模量为 泊 力情况较为复杂 故在进行有限元分析时必须进行简 松比 密度为 抗拉强度 化 由于径向载荷是影响 向心关节轴承 抗压强度为 图 示出了 向心 承载力和使用寿命的主要因素 因此主要考虑径向载 关节轴承的结构示意图 为了使模拟更加接近现实情 荷作用 而关节轴承服役条件下 旋转或摆动的速率 基金项目 航空科学基金资助项目 收稿日期 修回日期 联系人向定汉 作者简介 向定汉 男 年生 博士 副教授 目前主要从事高性能自润滑材料的研究 第 期 向定汉等 向心关节轴承的结构优化及摩擦磨损性能研究 极慢 大多数情况下每分钟不超过 转 摆次 因此 径尺寸减小 时 轴承所受最大压应力从原来 对关节轴承进行有限元分析时可采用准静态模型 与 的 减小到 因此 将向心 此同时 关节轴承具有对称结构 为了减少计算量 关节轴承 的球径尺寸减小 确定 规定可以取整体结构的 进行计算 以 为优化值 的球径为基准尺寸 依次取球径尺寸的改 摩擦磨损试验 变量分别为 将优化前后的 关节轴承试件的外圈 表示 切割成两片圆心角为 的轴瓦 将轴承内圈固定于 原始尺寸不变 正号表示尺寸增加 负号表示尺寸减 同摩擦磨损试验机连接的轴 采用南京航空航天大学 小 分别进行求解 研制的轴承摩擦磨损试验机 见图 进行摩擦磨损试 由于关节轴承在服役条件下承受压应力 失效源 于压应力作用下的接触疲劳 因此本文主要计算轴承 所受的最大压应力 在保持装配相关尺寸不变的条件 下 通过改变关节轴承的球径尺寸来计算轴承所受的 最大压应力的变化 图 示出了 向心关节 图 轴承摩擦磨损试验机示意图 验 首先在频率 摆角 锂基脂润 滑 不同正压力条件下测定摩擦系数 先将正压力加 载到 测定相应的摩擦系数 再依次按正压力 加载 测定相应的摩 擦系数 共测定 组不同正压力条件下的摩擦系数 图 压应力随轴承球径尺寸变化的关系曲线 取不同正压力条件下摩擦系数的平均值作为关节轴 轴承的第三向主应力 的绝对值 即最大压应力 承设计 计算及使用的依据 由于摩擦磨损试验机在 随球径尺寸 变化的关系曲线 可以看出 关节轴承 摆动过程中的摩擦力同摆动角有关 故从摩擦学角度 所受最大压应力与球径尺寸的变化密切相关 当球径 而言 摆动时只要能通过最大摩擦力位置 则一定能 尺寸从 增加到 时 关节轴承所受最 够通过其它位置 鉴于此 我们测量得到最大摩擦 大压应力增加量较大 而当球径尺寸从 减小 力 并将其换算成摩擦系数 即得到最大摩擦系数 到 时 最大压应力出现波动 这取决于结构 其次 用优化前后的 关节轴承试件进行磨 非线性 当球径尺寸减小量为 时 关节轴承 损对比试验 试验条件为 正压力 摆动频率 所受最大压应力最小 摆角 在轴承的内外圈接触点附近摆 向心关节轴承的材质为淬火加低温回火 动 规定以温升 内圈或者外圈的磨损量 钢 其组织为回火马氏体 为脆性材料 故应选用第一 或套圈烧伤等 种情况之一作为判定磨损失 强度理论或第二强度理论进行校核 鉴于第一强度理 效的依据 在全部试验过程中未发现套圈烧伤现象 论形式简单 且不影响计算结果 因此本文采用第一 经连续 磨损试验后试件温升不超过 故以 强度理论进行校核 即 或 为第一 磨损量 作为试验终止的判定依据 用数显温 向主应力 为第三向主应力 度仪监测轴承的温度 采用千分表 在磨损试验过程 当原始数据不变 即改变量为 时 轴承整 中每隔 测量轴承外圈的厚度 用千分尺测量 体最大压应力 第三向主应力 绝对值的最大值 轴承内圈球径 磨损厚度等于初始厚度减去磨损试验 为 而当球径尺寸减小 后测定的厚度 时 轴承整体最大压应力为 可见将球 采用扫描电子显微镜 观察 关 摩 擦 学 学 报 第 卷 节轴承外圈磨损表面形貌 测得相应的摩擦系数约为 说明该 类轴承的摩擦系数较稳定 结果与分析 磨损表面形貌 摩擦系数 图 示出了轴承外圈磨损表面形貌 照片 优化前后的 关节轴承在 锂基 脂润滑 不同正压力的摩擦系数示于图 可以看出 图 正压力与摩擦系数的关系曲线 图 磨损表面形貌 照片 可见其表面存在点蚀坑 据此可以推测 在摆动条件 下 关节轴承的损伤主要源于表面疲劳磨损 关节轴承在优化前后的摩擦系数变化不 大 在定期润滑条件下 当正压力处于 结论 范围内时 相应的摩擦系数为 摩擦系 相应的有限元分析最大能量误差为 数随正压力增加而有所减小 符合正常的摩擦磨损规 说明所选择的网格精度满足要求 结果可靠 律 优化后的关节轴承所受的应力同优化前的 磨损性能 相比减小 图 示出了优化前后 关节轴承磨损 关节轴承在优化前后的摩擦系数无显著变 化 但优化后的磨损寿命比优化前的显著提高 相应 的计算及试验结果相一致 参考文献 向定汉 潘青林 姚正军 聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节 轴承的摆动摩擦磨损性能研究 摩擦学学报 王祖温 郭良斌 包钢 单节流孔静压球面气体轴承动态特性的 图 关节轴承的磨损曲线 有限元分析 摩擦学学报 深度随磨损行程变化的关系曲线 可见 当承载力为 外圈磨损量为 时 轴承两片外圈的磨 损量相近 未优化的关节轴承磨损行程为 而优化后的关节轴承磨损行程为 与此同 时 在适当的润滑条件下 连续磨损过程中轴承温升 变化不大 一般连续运行 温升不过 室温为 第 期 向定汉等 向心关节轴承的结构优化及摩擦磨损性能研究 向心关节轴承的结构优化及摩擦磨损性能研究 作者： 向定汉， 王春艳， 董伟锋 作者单位： 南京航空航天大学,材料科学与工程学院,江苏,南京,210016 刊名： 摩擦学学报 英文刊名： TRIBOLOGY 年，卷(期)： 2004,24(6) 被引用次数： 5次 参考文献(7条) 1.向定汉.潘青林.姚正军 聚四氟乙烯自润滑编织复合材料关节轴承的摆动摩擦磨损性能研究[期刊论文]-摩擦学学 报 2003(01) 2.王祖温.郭良斌.包钢 单节流孔静压球面气体轴承动态特性的有限元分