分體式滾圈疲勞壽命研究

曾令云

（江漢大學(xué)文理學(xué)院，湖北武漢430056）

當(dāng)今，分體式結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空設(shè)備、醫(yī)藥設(shè)備、礦山設(shè)備以及工程機(jī)械等工業(yè)行業(yè)的大型設(shè)備之中。比如，在航空方面，袁新江為了有效地彌補(bǔ)整體式天線座在重量和空間方面造成的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種分體式天線座結(jié)構(gòu)；孫世堯在醫(yī)學(xué)方面設(shè)計(jì)的分體式鑄造樁核更具有特色，不但修復(fù)了牙冠全缺損的患牙，也完整保留了牙冠較大缺損的患牙；陳碧鳳在礦山設(shè)備方面設(shè)計(jì)的剖分式反應(yīng)釜，不但節(jié)約了維修成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時也減輕了維修工人的勞動強(qiáng)度；長安大學(xué)的王龍奉在工程機(jī)械的大型設(shè)備方面，通過運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS分析研究大型造橋機(jī)主梁的剛度和強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了適用的剖分式主梁，從而證實(shí)了大型造橋機(jī)的剖分式主梁不僅能很好地滿足了生產(chǎn)實(shí)際的要求，而且還擁有較長的磨損壽命。另外，分體式結(jié)構(gòu)還包括分體式不銹鋼攪拌槳、分體式箱梁橋、大型拖鏈刮板式浸出器分體式箱體等。因此可以說，分體式結(jié)構(gòu)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，更好地體現(xiàn)了其最大優(yōu)點(diǎn)。在這種趨勢下，分體式滾圈這種新的結(jié)構(gòu)設(shè)想便應(yīng)運(yùn)而生。

1 有限元理論簡介

在航天領(lǐng)域方面，最早是通過采用有限元法來解決線性結(jié)構(gòu)問題。對于求解復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的問題，有限元法是一種最為有效的數(shù)值分析方法。有限元法的基本思想，可以這樣概括：首先對目前探究的工程系統(tǒng)做出拆散處理，然后將其轉(zhuǎn)換為一個有限元系統(tǒng)。簡而言之，也就是把無限自由度的求解問題，轉(zhuǎn)換為有限自由度的問題，從而可以根據(jù)建立數(shù)學(xué)方程輕易獲得有限自由度的解。對于采用理論分析方法難以處理的那些復(fù)雜的工程問題，采用有限元法卻可以輕松解決。根據(jù)以上的理論內(nèi)容得出，我們只有將結(jié)構(gòu)對象轉(zhuǎn)化為相當(dāng)小的單元，那么才能夠使有限元的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。到目前為止，有限元已經(jīng)有了數(shù)十年的發(fā)展歷程，其基本理論在發(fā)展中已不斷完善和日益成熟。與此同時，解決復(fù)雜的非線性問題的方法，也越來越多，并且已被廣泛地應(yīng)用在工程領(lǐng)域方面。

眾所周知，非線性的數(shù)值是一個很復(fù)雜的計(jì)算過程，一般的工程技術(shù)人員很難掌握，因?yàn)樯婕霸S多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)用技巧。為了解決這些問題，最近幾年來國外的一些公司開發(fā)了專門用來解非線性問題的有限元分析軟件，比如MARC、ABQUS、ANSYS和ADINA等，它們在工程實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。通過對這幾種軟件做比較和綜合分析，最后決定用有限元分析軟件ANSYS來對滾圈的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

ANSYS軟件是一種大型通用的綜合電磁、結(jié)構(gòu)、流體、熱、聲學(xué)于一體的有限元分析軟件，應(yīng)用范圍很廣，不但可以用于一般的工業(yè)設(shè)備中，還可以應(yīng)用于各個行業(yè)的科學(xué)研究，例如機(jī)械制造、核工業(yè)、土木工程、航空航天、能源、生物醫(yī)學(xué)、地礦、日用家電等領(lǐng)域。ANSYS軟件在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中，都能正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)。無論是PC機(jī)還是工作站還是巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件不但在這些工作平臺上能互相兼容，而且在與其所有的產(chǎn)品系列上也能彼此兼容。除此之外，ANSYS軟件本身還具有一種多物理場的耦合功能，能夠在相同的一種模型上同時同步執(zhí)行各種各樣的耦合計(jì)算。比如說，電-磁-流體-熱耦合、熱-結(jié)構(gòu)耦合和磁-結(jié)構(gòu)耦合。ANSYS文件在PC機(jī)上形成的模型，相同的也能夠在巨型機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)工作，因此，使得ANSYS對不同領(lǐng)域的各種復(fù)雜工程問題的解決得到了確保。

2 整體式與分體式滾圈熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力的比較

首先，制作一個與分體式滾圈大小完全一樣的整體式滾圈模型，并且運(yùn)用一樣的單元，通過采用自由劃分網(wǎng)格的方法，來制作整體式滾圈的有限元模型。然后，應(yīng)用同樣的接觸剛度、接觸單元以及接觸算法，給予同樣大小的復(fù)雜曲線函數(shù)載荷和熱溫度載荷，最后就能得出整體式滾圈的最大應(yīng)力是358 MPa。

采用相同的方法來分析分體式滾圈，相比整體式滾圈的最大應(yīng)力，分體式滾圈的最大應(yīng)力明顯增大了H.70/0，而分體式滾圈的最大應(yīng)力依舊在滾圈材料強(qiáng)度的承受范圍內(nèi)。所以可以得出結(jié)論，分體式滾圈的結(jié)構(gòu)形式，不但能很好符合實(shí)際生產(chǎn)的各種不同要求，而且對分體式滾圈結(jié)構(gòu)形式的研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和工程意義。

3 疲勞壽命的預(yù)測方法

一般來講，托輪和滾圈之間彼此互相接觸，從而造成的磨損失效重要的包含微滑磨損和疲勞磨損兩種。從滾圈的實(shí)際工作情況可以看出，因?yàn)橥休喌陌霃奖容^小，而轉(zhuǎn)動速度相對較快，所以托輪造成的磨損量比滾圈劇烈，微滑磨損也比滾圈大。

通過觀察分體式滾圈的結(jié)構(gòu)三維圖可看到，托輪與分體式滾圈之間的接觸，是整個面與面的接觸，這和整體式滾圈與托輪的接觸方式是一樣的。唯一的不同之處是，當(dāng)分體式滾圈在分體聯(lián)接處正好與托輪相接觸時，滾圈大概會對托輪產(chǎn)生一種沖擊載荷的作用，可是，從探究滾圈的載荷公式就能明白，在滾圈與托輪兩個物體彼此接觸的地方，滾圈承受的載荷相對較小，而且滾圈中僅僅在一半的滾圈寬度上有沖擊。如果在這個地方采用滾圈與銷軸的互相彼此合作的方法，就能確保在分體聯(lián)接處的地方不會再存在高度差的事情發(fā)生。因此，我們就能忽視對托輪的沖擊載荷，而滾圈的另一半寬度，是沒有任何間隙的接觸，不存在任何的沖擊載荷，我們覺得分體式滾圈和整體式滾圈與托輪之間的微滑磨損，在總體上是大致相同的。所以，在這個過程中基本上不用對托輪的壽命進(jìn)行額外的校核，在應(yīng)用整體式滾圈的時候，僅需考慮托輪的壽命就可以了。

盡管托輪和滾圈之間的接觸中，存在微滑磨損的問題，但通過對熱結(jié)構(gòu)耦合分析可了解到，因?yàn)楸砻娉惺艿慕蛔儜?yīng)力和接觸應(yīng)力大的原因，所以造成的疲勞磨損被認(rèn)為是主要的失效形式。一般情況下，疲勞磨損是很常見的，縱然是在油膜潤滑的較好條件下，同樣也會產(chǎn)生疲勞磨損。托輪和滾圈之間的磨損，大多數(shù)是以剝落為主的疲勞磨損。在潤滑良好的條件下，正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，考核疲勞磨損的公式可以這樣表示：

式中，

Lh為滾圈的疲勞磨損壽命；

Nδ為基本循環(huán)次數(shù)，通常取107；

n為滾圈的轉(zhuǎn)速，此處為1.8（r/min）；

N為一個循環(huán)的接觸次數(shù)，此處為2；

Pδ為滾圈材料的許用應(yīng)力，由前面分析可知Pδ=640 MPa；

P為在基本循環(huán)下滾圈的接觸應(yīng)力。

由上分析可知，分體式滾圈的疲勞磨損壽命為

整體式滾圈的疲勞磨損壽命為：

一般工業(yè)設(shè)備或工程領(lǐng)域中，常用滾圈的設(shè)計(jì)使用壽命大概在25年內(nèi)。通過觀察上面的結(jié)果得出，目前分體式滾圈的疲勞壽命，已經(jīng)符合并滿足了滾圈的設(shè)計(jì)使用需求，而且與整體式滾圈相比，分體式滾圈的疲勞壽命整整相應(yīng)縮減了6年時間，但站在分體式滾圈所帶來的經(jīng)濟(jì)效益的角度來思考，分體式滾圈的疲勞壽命得到了很多人的接受和認(rèn)可。

4 疲勞磨損原因分析及預(yù)防措施

1973年，蘇高宏教授通過大量的實(shí)驗(yàn)研究[6]，在總結(jié)了前人研究成果的基礎(chǔ)之上，提出了疲勞磨損的剝層理論。這個理論認(rèn)為，由于表面下逐漸生成的裂紋導(dǎo)致了表層材料沿著平行的方向一點(diǎn)點(diǎn)剝落的過程，就是金屬磨損的過程。這個理論的內(nèi)容如下所述：

在兩個不同的表面在互相滑動的時候，因?yàn)樵谀Σ亮头ㄏ蜉d荷的循環(huán)作用下，其中較軟的表面微凸體部分就很容易變形、斷裂，從而形成一個相對比較光滑的表面，彼此接觸狀態(tài)就從起初的峰頂接觸，忽然轉(zhuǎn)變成硬表面峰頂與軟光滑表面之間的接觸。每次當(dāng)硬表面微凸體在軟表面上滑過時，軟表面上都會承受一次循環(huán)載荷作用。表面切向力的作用致使軟表面產(chǎn)生塑性剪切變形，并且逐漸積累，從而在金屬表層內(nèi)生成了許多的位錯。因?yàn)楸砻嫣幋嬖谖诲e映像力和三維高壓縮應(yīng)力，所以最大的剪切變形發(fā)生在表層的一定深度內(nèi)，而近表面的表層位錯密度較低。金屬的表面能和拉應(yīng)力的大小，影響著低位錯密度區(qū)的深度。由于變形的一點(diǎn)點(diǎn)累積，在表面下的一定深度處發(fā)生了位錯堆積的現(xiàn)象，此外材料內(nèi)部還有夾雜物和空缺等缺點(diǎn)，最終致使裂紋的逐漸形成和不斷擴(kuò)展。

依據(jù)應(yīng)力場分析，如果裂紋形成一定的深度后，平行于表面的正應(yīng)力就會立刻控制裂紋往深度方向不斷繼續(xù)擴(kuò)展。因此，當(dāng)裂紋在一定深度順著平行于表面的方向不斷延伸，擴(kuò)展到一定的長度之后，裂縫和表面之間的材料就會在最脆弱的地方被剪斷，從而掉下來，因此生成許多似薄片狀的碎磨屑。作用于表面的法向與切向載荷的大小以及材料性能，對衡量磨屑的厚度起決定性作用。。

總而言之，我們可以采取以下主要措施，來提高滾圈和托輪接觸疲勞壽命：

（1）合理選擇滾圈和托輪，加強(qiáng)摩擦副材料的硬度；

（2）恰當(dāng)運(yùn)用表面強(qiáng)化工藝，從而增加硬化層的厚度；

（3）清理材料的內(nèi)部夾雜物和彌補(bǔ)缺陷，以便更好地增加潤滑油的粘度，采取合適的方法來緩解表面的粗糙程度，有效提高滾圈和托輪的鑄造質(zhì)量；

（4）定期增加膜的厚度，尤其要注意觀察并及時清除潤滑油中的水分；

（5）盡可能避免一切不必要的斜壓，從而有效地延長滾圈和托輪的接觸磨損壽命。

5 結(jié)束語

分體式滾圈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且實(shí)際工況中影響其運(yùn)轉(zhuǎn)的因素眾多，僅僅依靠傳統(tǒng)的力學(xué)知識很難進(jìn)行分析。因此此處借助有限元理論進(jìn)行分析。在對分體式滾圈疲勞壽命的預(yù)測方法闡述的基礎(chǔ)上，分析了產(chǎn)生疲勞磨損的原因，并提供了一系列的預(yù)防措施。

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[4]江南水泥廠.濕法水泥回轉(zhuǎn)窯[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1978.

[5]回轉(zhuǎn)窯編寫組.國外水泥機(jī)械進(jìn)展[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[6]蘇高宏.分體式滾圈疲勞磨損的剝層理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.