樊曙天, 郗萬(wàn)凱, 王寶琦, 王 坤

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

由于實(shí)際工作中要求常見的線接觸高副構(gòu)件具有較好的承載、支承功能和緩沖能力,此外為保證機(jī)械設(shè)備正常穩(wěn)定的運(yùn)行,線接觸高副構(gòu)件的表面要具有較好的耐磨性和較強(qiáng)的抗疲勞性,且高副構(gòu)件的接觸壓強(qiáng)大會(huì)影響到潤(rùn)滑油膜的存在[1-3].因此,對(duì)于線接觸高副機(jī)構(gòu)摩擦性能的研究具有一定的工程意義.

基于接觸理論,通過有限元對(duì)單一材料和外層與單一材料相同內(nèi)層為低彈性模量的雙金屬?gòu)?fù)合彈性體摩擦副建立模型[4-5].運(yùn)用Hertz接觸理論對(duì)單一材料高副構(gòu)件接觸問題進(jìn)行分析,得出有限元分析平行圓柱體接觸問題是可靠的結(jié)論[6-7].通過與單一材料高副構(gòu)件有限元分析對(duì)比,得到復(fù)合彈性體摩擦副具有更好的變形能力和接觸性能[1].在相同載荷和操作環(huán)境下,通過接觸摩擦試驗(yàn)得到單一材料高副構(gòu)件試樣、不同外層金屬厚度鋼鋁復(fù)合高副構(gòu)件試樣的磨痕寬度.對(duì)比不同試樣磨痕寬度變化規(guī)律,分析不同試樣的接觸性能,為雙金屬?gòu)?fù)合彈性體摩擦副接觸性能的研究提供參考.

1 有限元接觸分析

1.1 有限元模型創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分

單一材料平行圓柱體接觸幾何模型為選取上端圓柱的1/2,下端圓柱的1/4,載荷為作用在上圓柱頂端母線上的均布載荷.雙金屬?gòu)?fù)合彈性體外層金屬?gòu)椥阅Ａ扛?內(nèi)層基體金屬?gòu)椥阅Ａ康?下圓柱采用與雙金屬?gòu)?fù)合彈性體外層金屬?gòu)椥阅Ａ肯嗤慕饘俨牧?在上圓柱體的半徑范圍內(nèi),改變外層金屬與基體圓柱尺寸厚度的關(guān)系.與單一材料為45鋼的平行圓柱體對(duì)比,雙金屬?gòu)?fù)合彈性體有限元分析選用硬鋁合金與45鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu).依據(jù)雙金屬?gòu)?fù)合彈性體彈性模量外高內(nèi)低的特性,設(shè)置基體圓柱金屬材料為硬鋁合金(2A12),下圓柱體和外層金屬材料為45鋼.材料屬性設(shè)定如表1所示.

表1 有限單元材料屬性

單一材料和復(fù)合線彈性圓柱體網(wǎng)格劃分時(shí)均采用高階的三維20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,采用六面體網(wǎng)格劃分方法.復(fù)合線彈性平行圓柱體網(wǎng)格劃分如圖1所示.

圖1 復(fù)合線彈性平行圓柱體網(wǎng)格劃分

1.2 接觸對(duì)創(chuàng)建和邊界條件施加

相較于單一材料平行圓柱體建立一個(gè)接觸對(duì),復(fù)合線彈性平行圓柱體需建立2個(gè)接觸對(duì).第1個(gè)接觸對(duì)以下圓柱體曲面為目標(biāo)面,外層金屬外曲面為接觸面.第2個(gè)接觸對(duì)以外層金屬內(nèi)曲面為目標(biāo)面,基體圓柱外曲面為接觸面.

復(fù)合線彈性平行圓柱體接觸模型主要運(yùn)動(dòng)為上圓柱隨均布載荷作用沿Y方向豎直向下運(yùn)動(dòng).定義邊界條件如圖2所示,均布載荷作用在外層金屬頂端母線上且沿Y方向豎直向下,與單一材料平行圓柱體邊界條件施加方式相同.

圖2 施加邊界條件與載荷示意圖

1.3 仿真分析與結(jié)果

有限元仿真分析選用硬鋁合金作為基體圓柱材料.為確定外層金屬厚度對(duì)接觸性能的影響,設(shè)置模型中小圓柱整體尺寸半徑為5 mm,外層金屬厚度以公差為0.4 mm逐漸增大.當(dāng)法向載荷F=240 N時(shí),分析外層金屬厚度對(duì)復(fù)合線彈性平行圓柱體接觸性能的影響,影響趨勢(shì)如圖3所示.

圖3 最大接觸應(yīng)力與外層金屬厚度關(guān)系

圖3中當(dāng)法向載荷F=240 N時(shí),隨著外層金屬厚度的增加,復(fù)合線彈性平行圓柱體最大接觸應(yīng)力不斷增大.相同載荷下,單一材料45鋼平行圓柱體最大接觸應(yīng)力值大于復(fù)合線彈性平行圓柱體最大接觸應(yīng)力值.與單一材料平行圓柱體相比,復(fù)合線彈性平行圓柱體具有更好的接觸性能.不同單一材料平行圓柱體最大接觸壓力、接觸半寬、接觸變形量隨法向載荷變化理論值如圖4-6所示.

相同載荷下對(duì)比2種金屬材料,45號(hào)鋼彈性模量高,耐磨性能好,接觸壓力大,接觸變形能力差.相反硬鋁合金彈性模量低,耐磨性能較差,接觸壓力小,接觸變形能力強(qiáng).因此在接觸時(shí),單一材料平行圓柱體不能同時(shí)具有良好的耐磨性和接觸性能.雙金屬?gòu)?fù)合彈性體基于單一材料平行圓柱體所存在的不足而設(shè)計(jì)的.平行圓柱體接觸應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖4 最大接觸壓力隨法向載荷變化值

圖5 接觸半寬隨法向載荷變化值

圖6 接觸變形量隨法向載荷變化值

圖7 平行圓柱體接觸應(yīng)力云圖

圖7a中接觸應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接觸線附近,且沿X方向呈矩形區(qū)域逐漸減小,說(shuō)明隨著法向載荷的作用,接觸區(qū)域由線接觸變成面接觸.圖7b中在外層金屬厚度h低于0.3 mm時(shí),復(fù)合線彈性平行圓柱體上端載荷作用位置有較大的應(yīng)力集中,導(dǎo)致復(fù)合彈性圓柱上端出現(xiàn)明顯的塑性變形.因此在設(shè)計(jì)雙金屬?gòu)?fù)合彈性體摩擦副時(shí)應(yīng)確定合理的外層金屬厚度,保證其接觸變形不超過彈性范圍.基體圓柱頂端最大接觸應(yīng)力與外層金屬的厚度關(guān)系見表2.

表2 基體圓柱頂端最大接觸應(yīng)力

由表2得出,外層金屬厚度h不低于0.4 mm可保證雙金屬?gòu)?fù)合彈性體具有較好的彈性變形.接觸半寬、接觸變形量與外層金屬厚度關(guān)系如圖8所示.由圖8可知,隨著復(fù)合線彈性平行圓柱體外層金屬厚度不斷增加,接觸半寬和接觸變形量均不斷減小.

圖8 接觸半寬、接觸變形量與外層金屬厚度關(guān)系

當(dāng)h大于0.4 mm時(shí),變化趨勢(shì)趨于平緩;當(dāng)h小于0.4 mm時(shí),變化趨勢(shì)明顯.相同法向載荷作用下,復(fù)合線彈性圓柱體比單一材料平行圓柱體有較好的變形能力.

由有限元分析可得,當(dāng)雙金屬?gòu)?fù)合彈性體外層金屬厚度h=0.4 mm時(shí),能夠保證其在彈性范圍內(nèi)具有較好的接觸性能[8-9].

2 平行圓柱接觸摩擦試驗(yàn)

2.1 接觸摩擦試驗(yàn)原理

平行圓柱接觸摩擦試驗(yàn)原理如圖9所示.

圖9 試樣平行圓柱接觸摩擦試驗(yàn)原理圖

圖9中試樣上方施加外力F,螺栓將磨件固定在轉(zhuǎn)軸上,動(dòng)力來(lái)源由電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器提供,箭頭方向代表標(biāo)準(zhǔn)對(duì)磨件的旋轉(zhuǎn)方向.為考慮試驗(yàn)操作方便,試樣形狀設(shè)計(jì)成U形.

2.2 試樣材料和參數(shù)

綜合有限元分析結(jié)果和待測(cè)試樣幾何模型的建立,單一材料試樣和雙金屬?gòu)?fù)合彈性體試樣外層金屬以及對(duì)磨輪均采用調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼,基體材料選用硬鋁合金.考慮實(shí)際加工條件,外層金屬殼厚度分別取0.4,0.8,1.2,1.6和2.0 mm.當(dāng)載荷F=240 N時(shí),調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼的接觸壓力未超過屈服極限,則單一材料平行圓柱體變形為彈性變形.調(diào)制45號(hào)鋼熱處理工藝是調(diào)質(zhì)和表面淬火,硬鋁合金熱處理方法為固溶熱處理和人工時(shí)效.

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)試樣長(zhǎng)度一定時(shí),磨痕寬度可作為兩接觸物體實(shí)際接觸面積大小的衡量指標(biāo)[10].選取3個(gè)材料為調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼的單一材料試樣進(jìn)行接觸摩擦試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)確定試驗(yàn)條件和試驗(yàn)環(huán)境一致,測(cè)得3個(gè)試樣的磨痕寬度為0.554,0.543和0.524 mm,磨痕寬度測(cè)量如圖10所示.

圖10 3個(gè)單一材料待測(cè)試樣磨痕寬度

通過計(jì)算確定3個(gè)單一材料待測(cè)試樣的磨痕寬度誤差不超過5%,因此得出平行圓柱接觸摩擦試驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行可有效運(yùn)行.同樣對(duì)不同外層金屬厚度的鋼鋁復(fù)合彈性體待測(cè)試樣進(jìn)行接觸摩擦試驗(yàn),得到磨痕寬度，即當(dāng)外層金屬厚度為0.4,0.8,1.2,1.6和2.0 mm時(shí),磨痕寬度分別為0.825,0.805,0.788,0.766和0.765 mm.可見鋼鋁復(fù)合彈性體試樣磨痕寬度大于調(diào)制45鋼試樣的磨痕寬度.產(chǎn)生較大磨痕寬度的原因有兩種可能:一種是磨損程度越深,圓的截線長(zhǎng)度越長(zhǎng);另一種是圓柱體接觸時(shí)產(chǎn)生較大的變形,得到相對(duì)較大的接觸面積[11].外層材料厚度為0.4 mm的鋼鋁復(fù)合彈性體的磨痕寬度如圖11所示.

圖11 外層金屬厚度為0.4 mm時(shí)復(fù)合彈性體的磨痕寬度

3 結(jié) 論

1) 雙金屬?gòu)?fù)合彈性體摩擦副通過材料彈性模量外高內(nèi)低組合,在保證接觸部位高硬度的同時(shí),合理增加了接觸變形,增大了實(shí)際接觸面積,減小了接觸應(yīng)力,減小了接觸部位單位面積上的摩擦力,并有利于潤(rùn)滑油膜的存在,減少摩擦副的磨損.

2) 與單一材料彈性體相比較,外層金屬材料為調(diào)制45號(hào)鋼,內(nèi)層金屬材料為硬鋁合金的雙金屬?gòu)?fù)合彈性體的外層厚度為0.4 mm時(shí),能夠保證在彈性范圍內(nèi)具有較好的接觸寬度.