高溫核用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)及分析

王平 ,葉曉葦,曹均

(1.荊楚理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊門 448000； 2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

關(guān)節(jié)軸承因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力大，廣泛應(yīng)用在航空航天、海洋工程、核工程等領(lǐng)域，然而在高溫工況下關(guān)節(jié)軸承的潤(rùn)滑受到限制，易發(fā)生摩擦損傷，從而影響其使用壽命[1-2]。目前自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承廣泛采用襯墊編織物進(jìn)行減摩處理[3-5]，將襯墊粘貼在軸承外圈內(nèi)表面，將原有的鋼與鋼對(duì)磨改為鋼與襯墊編織物對(duì)磨。通過(guò)對(duì)襯墊編織物進(jìn)行改性處理從而降低摩擦因數(shù)，提高軸承使用壽命。然而纖維編織物不能應(yīng)用在高溫工況，特別是汽輪機(jī)、核主泵等溫度較高的場(chǎng)合[6-7],故在高溫工況下降低軸承摩擦因數(shù)是提高核用關(guān)節(jié)軸承壽命的關(guān)鍵技術(shù)。為此采用石墨鑲嵌方法對(duì)軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

核用關(guān)節(jié)軸承設(shè)計(jì)使用壽命為60年，為防止核污染泄漏等問題，核用關(guān)節(jié)軸承需在密閉高溫環(huán)境下工作，并保證長(zhǎng)期工作不替換。為保證安全性，需要對(duì)軸承進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，而在現(xiàn)有疲勞仿真研究中，許多研究只針對(duì)單個(gè)零件進(jìn)行仿真，忽略了接觸和摩擦因數(shù)等因素[8-9]。針對(duì)溫度的變化，也未進(jìn)行變彈性模量仿真[10],故仿真結(jié)果并不精確。鑒于此，以新設(shè)計(jì)的自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承為例，通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合(摩擦熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耦合)仿真計(jì)算軸承的最大等效應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形，并進(jìn)行疲勞壽命分析。

1 自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承減摩設(shè)計(jì)

核用關(guān)節(jié)軸承在啟停、關(guān)閉及熱膨脹時(shí)內(nèi)外圈會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)圈外表面和外圈內(nèi)表面形成摩擦副，如果沒有潤(rùn)滑措施，摩擦因數(shù)較高，一般為0.3左右。高摩擦因數(shù)易導(dǎo)致摩擦表面溫升、損傷，從而引起軸承失效。核用關(guān)節(jié)軸承一般使用溫度在320 ℃左右，纖維編織物作為常見的減摩材料會(huì)在高溫下失效。為改變內(nèi)外圈摩擦副摩擦磨損形式，可設(shè)計(jì)石墨鑲嵌結(jié)構(gòu)。石墨是常用高溫自潤(rùn)滑材料，使用溫度在500 ℃以下[11]，在摩擦副作用下石墨被輾壓成自潤(rùn)滑膜從而降低摩擦因數(shù)，一般在0.13左右[12]。由于外圈內(nèi)表面鑲嵌工藝比內(nèi)圈外表面鑲嵌工藝復(fù)雜,在內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)尺寸均不變的前提下，在軸承內(nèi)圈外表面打孔鑲嵌石墨以降低摩擦因數(shù)，石墨排列如圖1所示，鑲嵌石墨面積占內(nèi)圈軸承外表面面積的30%～40%。鑲嵌石墨后在內(nèi)外圈之間鋪設(shè)一層二硫化鉬粉末，粉末顆粒直徑為10 μm左右，進(jìn)一步降低了摩擦因數(shù)。經(jīng)分析摩擦因數(shù)可達(dá)到0.08，遠(yuǎn)小于原軸承的摩擦因數(shù)[13]。這是因?yàn)槲催M(jìn)行減摩設(shè)計(jì)的軸承摩擦副材料為H1025不銹鋼和C96900銅合金，在高溫時(shí)潤(rùn)滑特性較差,而新設(shè)計(jì)的軸承由于石墨、內(nèi)圈材料熱膨脹因數(shù)不同，摩擦副在高溫工況時(shí)會(huì)擠壓石墨形成磨屑，進(jìn)一步輾壓成自潤(rùn)滑膜，從而降低摩擦因數(shù)。

圖1 內(nèi)圈外表面鑲嵌結(jié)構(gòu)

鑲嵌石墨會(huì)使內(nèi)外圈摩擦副摩擦因數(shù)降低，但內(nèi)圈結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，故有必要對(duì)軸承的最大等效應(yīng)力、最大變形和疲勞壽命進(jìn)行分析。

2 仿真分析

2.1 熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真

核用關(guān)節(jié)軸承主要用于核主泵和汽輪機(jī)，屬于高溫工作環(huán)境，內(nèi)外圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)造成溫升現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析。為縮短計(jì)算時(shí)間，減少CPU占用量，利用三維建模軟件UG建立其結(jié)構(gòu)的1/4模型，如圖2所示。其中外圈外徑222 mm，寬104 mm;內(nèi)圈外徑200 mm，內(nèi)徑為152 mm，寬120 mm;軸長(zhǎng)214 mm。其中外圈材料為H1025不銹鋼，內(nèi)圈材料為C96900銅合金，各材料參數(shù)見表1。分別對(duì)外圈施加固定約束，對(duì)軸、內(nèi)外圈端面和剖面施加對(duì)稱約束，對(duì)軸與內(nèi)圈內(nèi)表面、內(nèi)圈外表面與外圈內(nèi)表面設(shè)置摩擦接觸副。對(duì)軸與內(nèi)圈接觸面、內(nèi)圈與外圈接觸面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，在軸端面施加2 000 N載荷。分別對(duì)石墨鑲嵌軸承進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真、無(wú)耦合仿真，對(duì)未進(jìn)行鑲嵌石墨的軸承進(jìn)行耦合仿真。軸承應(yīng)力云圖及變形云圖分別如圖3、圖4所示。

圖2 核用關(guān)節(jié)軸承模型(1/4模型)

表1 材料參數(shù)

由圖3、圖4可知：進(jìn)行減摩設(shè)計(jì)的軸承外圈最大等效應(yīng)力發(fā)生在外圈內(nèi)表面，而最大結(jié)構(gòu)變形發(fā)生在下表面邊緣處，內(nèi)圈最大等效應(yīng)力和最大結(jié)構(gòu)變形均發(fā)生在鑲嵌石墨孔邊緣處；未進(jìn)行減摩設(shè)計(jì)的軸承外圈最大等效應(yīng)力也發(fā)生在內(nèi)表面，最大結(jié)構(gòu)變形同樣發(fā)生在下表面邊緣處。而內(nèi)圈的最大等效應(yīng)力和最大結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在外表面邊緣處。由于熱應(yīng)力的存在，熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真最大等效應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形比未進(jìn)行耦合仿真的應(yīng)力大，同時(shí)溫度變化會(huì)引起各零件發(fā)生熱膨脹變形，導(dǎo)致等效應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化。故在溫升工況下應(yīng)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真，減摩設(shè)計(jì)的軸承等效應(yīng)力雖比原軸承大，但等效應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，未引起應(yīng)力集中及局部過(guò)大變形。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 變形云圖

2.2 摩擦生熱分析

關(guān)節(jié)軸承在工作中內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱是評(píng)價(jià)摩擦因數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)。摩擦因數(shù)不同，溫升不同。溫升越大，摩擦磨損越嚴(yán)重。假設(shè)軸承內(nèi)圈相對(duì)外圈以600 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，減摩處理和未減摩處理的軸承溫度變化曲線如圖5所示，新設(shè)計(jì)軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦生熱有效降低4.35%。

由圖5可知，未進(jìn)行減摩處理的軸承在1 s內(nèi)溫升接近14 ℃，而進(jìn)行減摩處理的軸承在1 s內(nèi)溫升僅2 ℃左右，說(shuō)明摩擦因數(shù)越大，磨損越嚴(yán)重，且進(jìn)行減摩設(shè)計(jì)的軸承減摩效果明顯。

圖5 軸承溫度變化曲線

2.3 疲勞壽命分析

核用關(guān)節(jié)軸承在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不允許替換，關(guān)節(jié)軸承使用壽命影響核主泵、汽輪機(jī)等工作狀態(tài)和壽命。為保證關(guān)節(jié)軸承能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行工作,基于軸承材料S-N疲勞壽命曲線和疲勞極限概念對(duì)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)分析。根據(jù)疲勞極限理論[14]，一個(gè)循環(huán)對(duì)軸承造成的損傷為

D=1/N，

(1)

式中：N為疲勞壽命。

當(dāng)最大應(yīng)力作為唯一輸入條件(等變幅)時(shí)，第n個(gè)循環(huán)造成的疲勞損傷為

D=n/N，

(2)

當(dāng)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力同時(shí)輸入作為交變載荷(變幅載荷)時(shí)，n個(gè)循環(huán)造成的疲勞損傷為

(3)

式中：Ni為第i個(gè)循環(huán)的疲勞壽命。

當(dāng)D<1 時(shí)，軸承未產(chǎn)生屈服變形；當(dāng)D=1 時(shí)，軸承開始發(fā)生屈服變形；當(dāng)D>1 時(shí)，軸承已經(jīng)被破壞。進(jìn)行減摩設(shè)計(jì)的軸承的疲勞壽命如圖6所示。

圖6 軸承疲勞壽命圖

由圖6a可知，減摩處理的軸承外圈最小疲勞循環(huán)次數(shù)為1.026 1×105，最大疲勞循環(huán)次數(shù)為10×106，為高周疲勞。由圖6b可知，內(nèi)圈最低疲勞循環(huán)次數(shù)為1×105,可視為高周疲勞。而核用軸承僅在核主泵啟停階段和熱膨脹引起結(jié)構(gòu)變形時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，故進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的軸承能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)鑲嵌石墨的核用關(guān)節(jié)軸承能有效降低軸承摩擦因數(shù)，其在旋轉(zhuǎn)時(shí)摩擦生熱有效降低4.35%。

2)幾種仿真結(jié)果表明，核用關(guān)節(jié)軸承需要同時(shí)考慮摩擦熱和結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行耦合仿真。

3)鑲嵌石墨的關(guān)節(jié)軸承雖然最大變形和最大等效應(yīng)力都有所增大，但數(shù)值均在許用范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算其屬于高周疲勞，能長(zhǎng)期在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)工作，滿足實(shí)際使用要求。