ANSYS仿真在軸系摩擦振動中的應用

侍紅巖，單曉敏，吳曉強，張春友

(內蒙古民族大學 機械工程學院，內蒙古 通遼 028000)

船舶軸系的摩擦振動不但會產生噪聲污染，而且會引起軸系零件的損耗，從而嚴重威脅機械結構的安全性，大大縮減零件的壽命。近年來，水潤滑橡膠合金軸承在船舶軸承系統中的應用廣泛，然而，水潤滑橡膠合金軸承在低速、重載等工況下，會由于潤滑不良大大降低工作性能。為了解決這一問題，需要對軸承摩擦振動特性進行全面分析。

目前國內外學者對于摩擦振動主要集中在剎車制動系統上[1-2]。文獻[3-5]提出了需對摩擦振動全面深入研究以及摩擦振動的重要性。文獻[6]提出法向力波動和其引起的摩擦之間的時間延遲是一個激勵源，為摩擦系統啟動或維持嘯叫的振動提供能量。此外，在試驗中發現，摩擦振動可能只發生在一部分行程中，也可能存在于整個行程中，主要決定因素是法向作用力、相對速度等試驗初始條件。文獻[7]采用ADAMS和ANSYS研究了在變載荷作用下，考慮軸系傾斜角的軸系摩擦學、動力學、剛度和強度分析問題。文獻[8]研究了水潤滑徑向橡膠軸承產生自激摩擦振動的原理，發現軸承在低轉速下，尤其是在機械啟停時, 軸承處于干摩擦狀態，由于潤滑不良，易產生自激摩擦振動，當轉速增大時，振動與噪聲現象得到很好的控制。下文針對目前水潤滑軸承系統在低速、重載工況下存在的性能問題，利用ANSYS軟件建立水潤滑橡膠合金軸承的有限元分析模型，探討軸系摩擦振動特性的具體影響因素，并對水潤滑橡膠軸系進行靜力分析。

1 軸系摩擦振動的產生機理

任何機械運動系統都不可避免地產生摩擦，而接觸面的不良摩擦特性往往是造成機械振動和噪聲的根源。摩擦振動是各種內、外因相互激勵作用的結果，其產生機理有：粘著-滑動機理、摩擦力與速度負斜率機理、模態耦合機理、自鎖-滑移機理、熱點理論等[9-10]。其中，摩擦力與速度負斜率機理和模態耦合機理對于軸系摩擦振動的產生解釋更為合理。

2 軸系摩擦振動的有限元分析步驟

有限元法是現代工程數值分析中應用廣泛的一種方法。用ANSYS解決振動問題一般包括模態分析和靜力學分析。

模態分析的一般步驟：

1)建立三維模型，定義單元類型和材料性質等；

2)定義分析類型，添加約束，進行分析；

3)后處理，擴展模態，把結果寫入文件。

靜力學分析步驟與其主要區別在于：二者所定義的分析類型不同，因為要得到的參數不同；靜力學分析不需要進行擴展模態，因為不存在讀取振型的過程。

3 軸系摩擦振動仿真

3.1 軸承的約束模態分析

建立軸承的幾何模型如圖1所示，基本參數見表1，材料屬性見表2。劃分單元網格，結合軸承的幾何模型，在保證計算精度的條件下，確定其單元類型為八節點 Solid 185六面體單元，即Solid 8node185；添加約束，對銅套外表面進行全約束，對x,y,z方向的平動自由度進行約束。

表1 軸承結構參數

表2 軸承系統各組成部件的材料屬性

圖1 軸承的有限元模型

在ANSYS軟件中分別畫出銅軸套和帶有水槽的橡膠內襯，但此時二者只是在幾何意義上處于接觸狀態，而實際軸承結構中軸套和內襯是粘結固定在一起的，所以需要對軸套和內襯進行布爾粘結操作，即boolean-glue-volumes。

軸承各階模態固有頻率值見表3。由表可知，軸承的最低固有頻率為89.699 Hz，因此只要軸承的振動頻率不超過該值就不會發生共振現象。同時軸承的固有頻率值在第16階和第17階之間以及第24階和第25階之間都有突變現象。該現象與軸承結構有關，為了更符合實際構造，套筒和軸套分別采用橡膠和銅。

表3 軸承各階模態固有頻率值

1階、2階、16階、17階、24階、25階軸承模態的振型圖如圖2所示。

圖2 各階模態振型圖

從圖中可以看出，在第1階模態振型中，相對變形量為35.966 μm，變形量不大且分布比較均勻，變形主要集中在軸承兩端面處。第2階模態振型中，相對變形量為34.047 μm，變形主要發生在軸承兩端。在第16階模態振型中，變形量增大且分布不均，表現為間斷狀態，軸承兩端變形集中而中間部分只出現微小的形變。變形量的增加是由于從1階到16階模態，其固有頻率增加。在第17階模態下，固有頻率產生突變，因此變形分布發生明顯變化，從間斷分布變為3段分布，即在軸承的中部和其兩端面處都有較大的變形量，并且軸承中部的變形量最大。在第24階模態振型中，軸承的變形不再只分布于某一接觸面上，而是擴散在不同的接觸面上，變形量仍是3段分布。第25階模態振型中，固有頻率再次突變，變形量增大且變形分布不均勻，變形量逐漸變為4段式分布。由此可知，固有頻率的增加會引起變形量增加，這是由于固有頻率逐漸接近共振頻率；其突變會引起變形量分布變化是由非線性振動系統的跳躍現象特性所致。

3.2 軸系的非線性靜力學分析

軸系的非線性靜力學分析可以研究軸承在低速(0.2 m/s)、重載(3 000 N)工況下的應力應變狀況，檢驗軸承系統的強度是否滿足要求，軸系的有限元模型如圖3所示，位移等值線如圖4所示。

圖3 軸系的有限元模型

由圖4可以看出，在偏載力3 000 N的作用下(載荷施加在軸短端外端面的一個節點上，方向沿x軸負方向)，軸系的位移從左端到右端逐漸減小，最大位移發生在軸的左端，軸承橡膠的位移量主要集中在與軸的接觸面上，且分布比較均勻。這與水潤滑橡膠合金軸承系統的實際情況是一致的。

圖4 位移等值線圖

4 結束語

針對水潤滑橡膠合金軸承系統在低速、重載工況下極易產生振動噪聲現象，利用ANSYS建立了分析模型，探討了軸系摩擦振動特性的具體影響因素，獲得了軸承的固有頻率和振型變化規律；對軸系進行了非線性靜力分析，為研究其應力應變特性提供了基礎，為軸承系統的設計優化提供了有效信息，具有重要的工程意義。