一種新的粗糙度三維模型對過盈配合的影響

1、一種新的粗糙度三維模型對過盈配合的影響論文導(dǎo)讀:：基于滑動軸承的外表粗糙度會對過盈配合的性質(zhì)會產(chǎn)生一定的影響的假設(shè)，提出一種通過自底向上建模的方式和APDL語言編程構(gòu)造出符合高斯分布的外表形貌三維模型的新方法。該方法利用外表粗糙度和輪廓算術(shù)平均偏差的關(guān)系，以及高斯隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)成功地模擬了滑動軸承外外表的粗糙形貌。結(jié)合算例進(jìn)行有限元計算和比擬分析。結(jié)果說明，該方法可以在一定范圍內(nèi)有效的應(yīng)用與工程實踐。論文關(guān)鍵詞：滑動軸承，外表粗糙度，數(shù)值模擬，過盈配合1 引言滑動軸承是機(jī)械裝備的重要根底件，起著承受力和傳遞運(yùn)動的作用，被譽(yù)為機(jī)械裝備的關(guān)節(jié);。其精度、性能、壽命和可靠性對主機(jī)的精度、性能、壽命和

2、可靠性起著至關(guān)重要的作用【1】。滑動軸承的裝配普遍采用過盈連接。過盈聯(lián)接以其結(jié)構(gòu)簡單、定心性好、承載能力高、承受變載荷和抗沖擊性能好等優(yōu)點，在精密機(jī)械、重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、化工通用機(jī)械、機(jī)車、船舶及軍工等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。過盈量大小直接影響到過盈配合的有效性，最終影響到滑動軸承的使用壽命和可靠性。本文采用自底向上建模的方式和APDL語言編程，構(gòu)造出符合高斯分布的滑動軸承外外表粗糙形貌的有限元模型，并對過盈配合進(jìn)行模擬計算。2外表粗糙形貌模型構(gòu)建理論不管采用何種加工方法加工出的零件外表都不是絕對光滑的，所有的零件外表都有它各自的外表紋理。外表紋理是與標(biāo)準(zhǔn)面的偏差，這種偏差來源于粗糙度，缺陷以

3、及波紋度。因此實際的外表輪廓是這些因素的疊加而成的，它可能是隨機(jī)的也可能是可重復(fù)的。為了表征這種特性國際上通常采用外表粗糙度這一參數(shù)，它被定義為比波紋度小的、間隔的、無規(guī)那么的偏差。為了描述粗糙度，采用輪廓均方根偏差或均方根值:式中，為各點輪廓高度；L為測量長度；n為測量點數(shù)；為各測量點的輪廓高度。此外，也可用輪廓算術(shù)平均偏差Ra來表示。這是國際上最為通用的外表粗糙度參數(shù)。對于高斯外表數(shù)值模擬，輪廓均方根偏差和輪廓平均偏差的關(guān)系為：表1 Ra與的關(guān)系 序號 外表粗糙度 Ra (m) 均方根值 (m) 1 0 0 2 0.2 0.25 3 0.35 0.4375 4 0.5 0.625 5 0.

4、65 0.8125 3 滑動軸承外表粗糙形貌模型在柱坐標(biāo)系r, ,z下，采用自底向上建模的方式創(chuàng)立滑動軸承的1/2模型。2.1點的創(chuàng)立為了簡化創(chuàng)立外表粗糙度的形貌的過程，本文只對半徑r的隨機(jī)性進(jìn)行描述，, , , ,其中，服從Gauss分布如下：這里取， 于是大多數(shù)值分布在區(qū)間上，于是得出點的隨機(jī)分布和滑動軸承外外表的粗糙平面三維模型如圖1、2。 圖1 不同粗糙度的隨機(jī)點的分布曲線 圖2 滑動軸承外外表的粗糙平面三維模型 2.2 線的創(chuàng)立將所創(chuàng)立的離散的點，通過直線將其逐個連接構(gòu)成粗糙外表的離散框架如圖3b。圖3 形成滑動軸承外外表粗糙形貌的四步：(a)點 (b) 線 (c)面 (d)體2.3

5、 面與體的創(chuàng)立由于所創(chuàng)立的點符合Gauss分布、具有隨機(jī)性，導(dǎo)致每個小區(qū)域的四個基點都不共面，要以四個基點為角點創(chuàng)立曲面必須通過插值法。為了簡化建模過程，采用三角面代替曲面，這樣就可以通過面命令創(chuàng)立出粗糙外表模型如圖3c，然后生成體如圖3d。4 滑動軸承過盈配合分析4.1 幾何模型和材料采用某型發(fā)動機(jī)連桿小頭與滑動軸承的1/2實體模型，其中連桿小頭的內(nèi)徑為66mm，外徑為100mm，滑動軸承的外徑為66mm數(shù)值模擬，內(nèi)徑為56mm，連桿小頭與襯套的配合長度為48mm。連桿小頭的材料為彈性模量為210GPa，屈服強(qiáng)度為360Mpa,摩擦系數(shù)為0.2，連桿襯套的彈性模量為90GPa ，屈服極限為

6、280MPa，摩擦系數(shù)為0.15。4.2 有限元模型由于結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，故采用軸對稱分析模型，同時忽略了滑動軸承的其他結(jié)構(gòu)如，油孔、油槽等結(jié)構(gòu)，這樣處理會更加明顯的表達(dá)外表粗糙度對應(yīng)力場分布的影響。模型全部采用SOLID185八節(jié)點單元，該單元具有超彈性，應(yīng)力剛化，蠕變，大變形和大應(yīng)變的能力，符合連桿小頭與滑動軸承過盈配合的要求。同時考慮到研究對象是連桿小頭與滑動軸承配合面間的接觸問題，在兩者可能發(fā)生的接觸處設(shè)置接觸單元，現(xiàn)將連桿小頭的內(nèi)外表作為目標(biāo)面，用Target174模擬目標(biāo)面上的接觸單元；滑動軸承的外外表作為接觸面，用Contact170模擬接觸面上的接觸單元。4.3 邊界條件1過

7、盈量 設(shè)計二者配合的過盈量分別為。2約束條件 在對稱面上進(jìn)行對稱約束。5 結(jié)果與討論圖4為最大等效應(yīng)力與不同粗糙度值的變化曲線。從圖4可以看出最大等效應(yīng)力的變化幅度較小數(shù)值模擬，變化范圍在02Mpa之間。通過多項式擬合得出最大等效應(yīng)力與粗糙度的變化關(guān)系為：圖5為不同粗糙度下軸向接觸壓力的變化曲線。從圖5可以看出較大的等效等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近滑動軸承的邊緣處，即所說的邊緣效應(yīng);，而軸承中部的等效應(yīng)力變化比擬平緩。這種仿真結(jié)果與實際情況十分吻合。 圖4 最大等效應(yīng)力與粗糙度變化曲線 圖5 不同粗糙度下的接觸壓力變化曲線 6 結(jié)論1 、通過創(chuàng)立的粗糙度三維模型對過盈配合進(jìn)行詳細(xì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)該方法可

8、以較好的對過盈配合進(jìn)行有效的模擬，模擬結(jié)果根本符合實際情況，如圖62 、通過對等效應(yīng)力云圖的比照如圖7，發(fā)現(xiàn)在靜配合狀態(tài)下滑動軸承的外表粗糙度對過盈配合的影響較小，影響范圍為02Mpa。綜上，可以大膽推測外表粗糙度極有可能在動載荷下對過盈配合的性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。這可能是因為滑動軸承摩擦組件在工作中既要承受燃?xì)馊紵矔r變換的高溫?zé)嶝?fù)荷，又要承受運(yùn)動過程中外界施加的機(jī)械負(fù)荷，在兩種載荷耦合作用下，微小的外表特性如外表粗糙度就可能會對過盈配合產(chǎn)生較大的影響。這也說明外表粗糙度對過盈配合影響的研究在理論上和工程應(yīng)用上有著非常廣闊的研究前景。 圖7 滑動軸承組件的等效應(yīng)力云圖 圖6 滑動軸承的接觸壓力

9、云圖 參考文獻(xiàn)：1王全清,何加群.對我國軸承行業(yè)自主創(chuàng)新的幾點思考. 軸承，2021，6：52-54.2陳國安,葛世榮等.機(jī)加工外表輪廓的分形插值. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,282：118-121.3葛世榮,Tonder K. 粗糙外表的分形特征與分形表達(dá)研究. 摩擦學(xué)學(xué)報，1997，171：73-80.4Geshirong, Chen Guoan. The Fractal Numerical Methords in Tribological AnalysisProceedings of Symposium on Lubricating Materials and Tribochemist

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