某活門運(yùn)動(dòng)過程裝配間隙中顆粒物對(duì)配合面應(yīng)力影響仿真分析與研究

劉銘 張曉軍 田俊

摘要：某系統(tǒng)上游設(shè)備濾網(wǎng)性能衰減導(dǎo)致微小顆粒物進(jìn)入某活門襯套和活塞桿間，在活門運(yùn)動(dòng)過程對(duì)活門襯套和活塞桿表面造成損傷。為分析配合面損傷的原因，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)位于裝配間隙內(nèi)的異物顆粒在活門運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)活門配合面的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了仿真研究，根據(jù)接觸非線性計(jì)算出卡滯過程中活塞桿和襯套的配合面應(yīng)力應(yīng)變分布，分析出易發(fā)生配合面損傷的間隙敏感值。本文為分析預(yù)測(cè)活門裝配間隙中異物在運(yùn)動(dòng)過程對(duì)活門表面狀態(tài)改變提供技術(shù)參考，為卡滯故障分析提供了一種仿真方法。

關(guān)鍵詞：卡滯；活門；有限元

Keywords：stuck；valve；FEM

0 引言

某活門為飛機(jī)提供傳動(dòng)控制，活門的活塞桿與襯套以間隙裝配方式配合，工作時(shí)活塞桿與襯套按照設(shè)計(jì)要求發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1-2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在某活門檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于上游設(shè)備濾網(wǎng)柵格尺寸超差，微小異物顆粒進(jìn)入活門襯套與活塞桿間隙，對(duì)活門正常工作效能產(chǎn)生影響，甚至造成活塞桿和襯套表面損傷。本文針對(duì)已進(jìn)入間隙的微小顆粒，采用有限元數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)異物顆粒進(jìn)入活塞間隙后活塞桿和襯套表面力學(xué)性能進(jìn)行分析，根據(jù)塑性應(yīng)變結(jié)果分析活門配合面表面損傷敏感區(qū)域，進(jìn)一步研究間隙尺寸數(shù)值對(duì)活門配合面表面損傷的影響程度，從而為預(yù)防活門異物導(dǎo)致的卡滯提供一種仿真分析思路。

1 確定分析條件

本文分別計(jì)算了運(yùn)動(dòng)過程中顆粒與活塞桿和襯套接觸表面的受力情況，找出顆粒運(yùn)動(dòng)過程活塞桿和襯套表面最大應(yīng)力應(yīng)變情況，根據(jù)金屬材料彈塑性變形行為分析產(chǎn)品表面受損情況。根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、裝配特性、檢測(cè)顆粒物尺寸和分析計(jì)算需要，明確以下條件：1）活塞桿與襯套之間的間隙從A端（0.037mm）線性減少到B端（0.006mm）；2）間隙縮小區(qū)域軸向距離為5mm；3）雜質(zhì)顆粒幾何外形可視為直徑為0.022mm的球形；4）該球形顆粒從A端間隙往B端間隙逐步深入，如圖2所示；5）雜質(zhì)顆粒的硬度大于活塞桿和襯套的硬度，可視為剛體。

2 建立有限元模型

活塞桿和襯套都為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈塑性力學(xué)原理，可將有限元模型等效為軸對(duì)稱平面模型。建立有限元模型包括定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、定義顆粒與活塞桿以及顆粒與襯套接觸、定義計(jì)算分析步、定義邊界條件、選擇計(jì)算方法和時(shí)間步參數(shù)定義等。

2.1 定義材料彈塑性屬性

在分析活塞桿和襯套與異物顆粒相互作用時(shí)，由于異物顆粒的硬度高，因此要考慮活塞桿和襯套金屬材料的彈塑性力學(xué)性能。活門活塞桿和襯套材料為高溫合金鋼，其楊氏模量E=2.1x105MPa，泊松比μ=0.3，彈性極限為418MPa，抗拉強(qiáng)度為1040MPa，根據(jù)材料手冊(cè)查到材料單向拉伸的彈塑性階段的應(yīng)力應(yīng)變過程數(shù)據(jù)[3]，如圖3所示。

2.2 劃分網(wǎng)格

根據(jù)顆粒與活門配合面的非線性接觸的要求，選擇能克服剪切自鎖的四節(jié)點(diǎn)雙線性非協(xié)調(diào)單元對(duì)活塞桿和襯套進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時(shí)考慮通過合理的局部網(wǎng)格細(xì)分、優(yōu)化單元尺寸，提高異物顆粒與活門非線性接觸分析的計(jì)算收斂性[4] 。在顆粒從A端往B端運(yùn)動(dòng)過程，根據(jù)顆粒尺寸與活門裝配間隙單調(diào)遞減的關(guān)系，對(duì)顆粒與活塞桿和襯套實(shí)際開始接觸的區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，將接觸區(qū)域網(wǎng)格大小設(shè)定為顆粒尺寸的1/3至1/5。

2.3 定義接觸和計(jì)算步驟

首先，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過程分別建立顆粒與活塞桿、顆粒與襯套之間運(yùn)動(dòng)過程中接觸屬性、接觸主面和接觸從面。其次，根據(jù)該問題的計(jì)算類型定義合理的計(jì)算步驟。由于本分析包含材料、幾何和接觸的非線性問題，為保證非線性計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，根據(jù)顆粒尺寸與間隙大小的幾何關(guān)系將計(jì)算分為兩個(gè)計(jì)算步進(jìn)行。第1計(jì)算步中，間隙大小大于顆粒尺寸。在該計(jì)算步結(jié)束前，顆粒已經(jīng)分別與活塞桿、襯套表面存在微小的過盈量，開始建立平穩(wěn)的接觸。第2個(gè)計(jì)算步中，基于第1步建立的接觸關(guān)系，穩(wěn)步計(jì)算顆粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的活塞桿和襯套的應(yīng)力應(yīng)變，如圖5所示。

3 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明：1）顆粒從A端開始運(yùn)動(dòng)，到C端與活塞桿和襯套接觸，在C、B端之間運(yùn)動(dòng)終止；2）從與活塞桿和襯套建立接觸關(guān)系直到運(yùn)動(dòng)終止，顆粒的位移為0.276mm；3）運(yùn)動(dòng)終止時(shí)，顆粒對(duì)活塞桿和襯套表面分別造成了大于6.1μm深度的壓痕；4）運(yùn)動(dòng)終止時(shí)，活塞桿表面最大應(yīng)力達(dá)到1285MPa，超過材料的屈服極限和抗拉強(qiáng)度極限，進(jìn)入塑性變形階段，可能對(duì)表面造成損傷；5）顆粒與活塞桿、襯套接觸后，隨著顆粒持續(xù)移動(dòng)，活塞桿、襯套表面的最大應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變隨之增加。顆粒沿軸向上達(dá)到不同位移時(shí)，活塞桿、襯套的等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D6、圖7所示；6）從顆粒剛開始與活塞桿和襯套接觸至運(yùn)動(dòng)終止過程中，隨著顆粒逐漸向更小間隙方向運(yùn)動(dòng)，顆粒對(duì)活塞桿和襯套表面塑性應(yīng)變影響區(qū)域逐步增加，最后對(duì)活塞桿和襯套表面形成一道沿著運(yùn)動(dòng)方向的損傷，如圖8所示；7）顆粒與活塞桿、襯套接觸后，隨著顆粒位移增加，顆粒反力最大值呈指數(shù)增長(zhǎng)。在運(yùn)動(dòng)終止位置，顆粒承受的反力大于14N，該反力可近似理解為活門配合面對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)摩擦反力，如圖9所示。

4 總結(jié)

本文采用非線性有限元計(jì)算方法對(duì)顆粒進(jìn)入活塞桿與襯套之間的間隙的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行力學(xué)仿真，有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明：1）顆粒運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致活塞桿和襯套表面產(chǎn)生沿顆粒運(yùn)動(dòng)相反方向的塑性變形痕跡，運(yùn)動(dòng)停止時(shí)活塞桿和襯套表面最大Mises應(yīng)力均超過塑性強(qiáng)度，表面區(qū)域最大塑性應(yīng)變超過40%，足以造成活塞桿和襯套表面長(zhǎng)度大于顆粒直徑尺寸的塑性變形；2）當(dāng)直徑大小為0.022mm的球形顆粒落入0.006～0.037mm間隙，在滿足力平衡和計(jì)算收斂性條件下，顆粒運(yùn)動(dòng)到2.696mm后運(yùn)動(dòng)終止；在運(yùn)動(dòng)終止位置，顆粒承受的來自活門配合面的反力大于14N。觀察產(chǎn)品發(fā)生的實(shí)際現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)停止后活塞桿和襯套表面不再進(jìn)一步發(fā)生彈塑性變形。基于塑性力學(xué)原理，仿真計(jì)算的運(yùn)動(dòng)終止?fàn)顟B(tài)可理解為實(shí)際發(fā)生卡滯的狀態(tài)。本文為預(yù)測(cè)活門裝配間隙中異物在運(yùn)動(dòng)過程對(duì)活門表面狀態(tài)改變提供了技術(shù)分析方法，也為卡滯故障提供了一種新的分析思路。

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作者簡(jiǎn)介

劉銘，工程師，主要從事飛機(jī)修理技術(shù)研究。

張曉軍，工程師，主要從事航空維修工程管理及科研生產(chǎn)質(zhì)量管理。

田俊，高級(jí)工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析技術(shù)研究。