摩擦因數(shù)對(duì)多接觸面輪胎定型硫化機(jī)主承載接觸面微動(dòng)行為的影響

劉志剛，許曉靜，童 浩，張曉宇，楊 松，宋麗群

（江蘇大學(xué) 先進(jìn)制造與現(xiàn)代裝備技術(shù)工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

微動(dòng)是兩個(gè)接觸面之間極小幅度位移（通常為微米量級(jí)）的周期性運(yùn)動(dòng)[1]。在多接觸面硫化機(jī)工作中，橫梁和底座受到?jīng)_擊交變載荷的作用，由于立柱和夾緊塊結(jié)構(gòu)的剛性不同，立柱與夾緊塊接觸面之間存在不同程度的相互微滑，即為微動(dòng)。接觸部位在微動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生的微小幅度位移的摩擦磨損加快了接觸面的失效破壞過(guò)程[2-3]。微動(dòng)促進(jìn)了接觸表面磨損失效，加速了構(gòu)件的損傷，使得整個(gè)零件失效[4]。

多接觸面輪胎定型硫化機(jī)工作時(shí)立柱與夾緊塊的主承載接觸面之間的微動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜，它受到接觸面面積、接觸齒數(shù)、接觸幾何形狀、摩擦因數(shù)、外載荷大小及變化趨勢(shì)等諸多因素的影響，而且這些參數(shù)又相互影響[5-6]。在眾多因素中，摩擦因數(shù)是影響微動(dòng)特性的重要因素之一[7-9]。迄今為止，有關(guān)接觸面之間微動(dòng)行為的研究極少。本工作以多接觸面輪胎定型硫化機(jī)為研究對(duì)象，分析摩擦因數(shù)對(duì)其主承載接觸面微動(dòng)行為的影響，利用HyperMesh和Ansys軟件計(jì)算在不同摩擦因數(shù)條件下主承載接觸面節(jié)點(diǎn)副的相對(duì)位移和應(yīng)力，研究其變化規(guī)律，以期為多接觸面機(jī)械設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 幾何模型

以某公司的多接觸面輪胎定型硫化機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)硫化機(jī)圖紙，運(yùn)用SolidWorks軟件完成三維建模，建立硫化機(jī)有限元模型時(shí)忽略其中對(duì)強(qiáng)度和模態(tài)影響小的部件。由于多接觸面硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性，取硫化機(jī)模型的1/2進(jìn)行分析，適當(dāng)簡(jiǎn)化模型可減輕工作量和方便計(jì)算，提高計(jì)算精度和計(jì)算效率。多接觸面輪胎定型硫化機(jī)的1/2三維模型如圖1所示。

圖1 多接觸面輪胎定型硫化機(jī)的1/2三維模型

1.2 設(shè)置材料參數(shù)和網(wǎng)格劃分

立柱、底板和夾緊塊材料選擇45#鋼，其余零件材料選擇Q235-A鋼，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

由于多接觸面硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為適應(yīng)不規(guī)則的形狀，在保證設(shè)計(jì)精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將零件網(wǎng)格劃分為四面體單元，有限元單元采用Solid45單元。運(yùn)用HyperMesh軟件中的tetramesh功能直接對(duì)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小控制在6～30 mm。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，滿足接觸條件，受力的關(guān)鍵零件劃分的網(wǎng)格尺寸較小，零件網(wǎng)格劃分如圖2所示。硫化機(jī)中所有零件接觸采用面面接觸方式，接觸面為conta172單元，目標(biāo)單元為targe169單元。

圖2 多接觸面輪胎定型硫化機(jī)有限元模型網(wǎng)格和邊界條件

1.3 邊界條件

對(duì)多接觸面硫化機(jī)工作情況進(jìn)行瞬態(tài)模擬分析。為了模擬硫化機(jī)在實(shí)際工作中的受力情況，在硫化機(jī)的橫梁和底座上施加大小相等、方向相反的作用力。以此時(shí)立柱與夾緊塊主承載面的變形情況來(lái)表征硫化機(jī)某一時(shí)刻所受應(yīng)力和相應(yīng)的微動(dòng)情況。

（1）取硫化機(jī)的1/2模型進(jìn)行分析，在對(duì)稱(chēng)面上加對(duì)稱(chēng)約束，控制對(duì)稱(chēng)面之間的位移約束。

（2）硫化機(jī)的橫梁和底座受力面均有675個(gè)受力點(diǎn)，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加1 333＋200sin（2πt） N的均布載荷（施加方式及施加面如圖2所示），以模擬工作載荷1 800 kN。

（3）在硫化機(jī)底座實(shí)際固定處施加位移約束，限制硫化機(jī)剛體的移動(dòng)。

為了便于描述由于摩擦因數(shù)變化帶來(lái)的影響，將硫化機(jī)的立柱與夾緊塊之間接觸面的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。A，B，C分別表示主、第二和第三接觸面，1，2，3，4分別為立柱上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，與之相對(duì)應(yīng)的1′，2′，3′，4′為夾緊塊上的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，如圖3所示。

圖3 多接觸面輪胎硫化機(jī)立柱與夾緊塊接觸面和節(jié)點(diǎn)編號(hào)

2 仿真結(jié)果及分析

為了研究多接觸面輪胎定型硫化機(jī)接觸面之間摩擦因數(shù)對(duì)微動(dòng)行為的影響，使用HyperMesh軟件前處理和Ansys軟件后續(xù)計(jì)算仿真，通過(guò)改變接觸面之間的摩擦因數(shù)，對(duì)硫化機(jī)進(jìn)行大變形非線性瞬態(tài)分析計(jì)算，分析時(shí)間為1S（所施加外載的一個(gè)計(jì)算周期）。通過(guò)計(jì)算，提取硫化機(jī)立柱與夾緊塊主承載面的節(jié)點(diǎn)副（A1表示立柱1節(jié)點(diǎn)和夾緊塊1′節(jié)點(diǎn)副，A2，A3和A4以此類(lèi)推）的相對(duì)位移即微動(dòng)位移和應(yīng)力，分析不同摩擦因數(shù)對(duì)微動(dòng)和應(yīng)力的影響。

對(duì)立柱與夾緊塊接觸面之間的結(jié)構(gòu)仿真分析中，取7種不同的摩擦因數(shù)（分別為0，0.05，0.1，0.15，0.3，0.5和0.9），用相同的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 主承載面微動(dòng)分析

不同摩擦因數(shù)對(duì)硫化機(jī)立柱與夾緊塊主承載面節(jié)點(diǎn)副的相對(duì)位移變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，A1和A4節(jié)點(diǎn)副的相對(duì)位移變化規(guī)律基本一致，微動(dòng)基本相近，A2和A3節(jié)點(diǎn)副也呈現(xiàn)類(lèi)似的規(guī)律，說(shuō)明在硫化機(jī)工作過(guò)程中，硫化機(jī)受力平穩(wěn)。當(dāng)摩擦因數(shù)不大于0.15時(shí)，立柱與夾緊塊主承載面之間的相對(duì)位移很小，摩擦因數(shù)對(duì)微動(dòng)的影響甚微；當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3時(shí)，隨著摩擦因數(shù)的增大，微動(dòng)位移顯著增大。由此可知，增大摩擦因數(shù)會(huì)導(dǎo)致機(jī)器微動(dòng)行為加劇，磨損增大。為了減小硫化機(jī)在工作時(shí)主承載面的微動(dòng)，延長(zhǎng)硫化機(jī)的使用壽命，應(yīng)合理選擇零件的制造材料和加工粗糙度，建議摩擦因數(shù)應(yīng)控制在不大于0.15。

圖4 不同摩擦因數(shù)對(duì)各節(jié)點(diǎn)副微動(dòng)的影響

2.2 主承載面接觸點(diǎn)應(yīng)力分析

相同載荷、不同摩擦因數(shù)（分別為0.15和0.9）條件下立柱與夾緊塊主承載面節(jié)點(diǎn)副的應(yīng)力變化曲線如圖5所示。

圖5 不同摩擦因數(shù)下主承載面立柱與夾緊塊節(jié)點(diǎn)副應(yīng)力分布

從圖5可以看出：摩擦因數(shù)不同導(dǎo)致相同節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力有一定的差異；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.15時(shí)，4個(gè)節(jié)點(diǎn)副的應(yīng)力都不相等，但相差較小；當(dāng)摩擦因數(shù)為0.9時(shí)，A2和A3、A1和A4節(jié)點(diǎn)副的應(yīng)力分別趨于相當(dāng)，但是A2和A3與A1和A4之間的應(yīng)力差異較大，且立柱接觸齒齒根與夾緊塊的接觸邊緣應(yīng)力大于立柱接觸齒邊緣與夾緊塊的內(nèi)部的應(yīng)力；在摩擦因數(shù)較大的情況下，立柱與夾緊塊所受的應(yīng)力相對(duì)較小。

3 結(jié)論

摩擦因數(shù)對(duì)多接觸面定型硫化機(jī)立柱與夾緊塊主承載面之間的微動(dòng)行為影響比較顯著。當(dāng)摩擦因數(shù)不大于0.15時(shí)，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動(dòng)位移、接觸應(yīng)力變化均很小。當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3時(shí)，隨著摩擦因數(shù)的增大，立柱與夾緊塊主承載面之間的微動(dòng)位移顯著增大，但是接觸應(yīng)力有所下降。摩擦因數(shù)是影響硫化機(jī)疲勞壽命的重要因素，減小摩擦因數(shù)會(huì)使硫化機(jī)的疲勞壽命相應(yīng)提高。

綜上所述，在多接觸面輪胎定型硫化機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際使用過(guò)程中，應(yīng)特別注意接觸表面的質(zhì)量，即摩擦因數(shù)應(yīng)不大于0.15。