轴瓦合金层应力的有限元分析

　第35卷第1期　2001年1月

上海交通大学学报

JO U RN A L O F SHA N GHA I JIA O T O NG U N IV ERSIT Y

Vol.35No.1　Jan.2001　

收稿日期:1999-09-20

文章编号:1006-2467(2001)01-0144-05

轴瓦合金层应力的有限元分析

刘春慧,　王成焘,　程先华

(上海交通大学机械工程学院,上海200030)

摘　要:建立了合金层、钢背和轴承座的三层圆筒模型,利用ANSYS 软件对轴瓦应力,尤其是合金层应力进行了计算,计算过程中考虑应力沿合金层厚度方向的变化.结果显示,轴瓦周向应力分布取决于油膜压力的梯度,最大拉应力位于压力梯度最大处,而周向压应力的峰值则位于压力梯度方向改变处.径向应力的分布与油膜压力的分布相同,压应力存在于油膜压力区域.径向应力与周向应力的最大值位于轴瓦合金层内表面.剪应力存在于压力峰值周围,并有一个转向过程,且剪应力的峰值位于轴瓦中截面合金层与钢背的结合处.理论计算证实,轴瓦合金层愈薄,疲劳强度愈高.关键词:轴瓦合金层;应力;压力梯度;有限元分析中图分类号:TH 133.31 文献标识码:A

Finite Element Analysis of Stress Distribution on Bearing Alloy

L I U Chun -hui ,　W A N G Cheng -tao ,　CH E N G X ian -hua

(School of M echanical Eng.,Shanghai Jiaotong Univ.,Shanghai 200030,China)

Abstract :A three -layer cylinder model containing allo y ,steel lining and housing w as established .With the help o f finite element method(FEM )softw are package ANSYS,and considering the stress change along alloy thickness,the bearing stress especially in alloy lay er w as calculated.The results sho w that the tang ential str ess distributio n is decided by pressure g radient,that is,the max im um tensile stress locates w here m ax imum pressure gradient is ,w hile the compressive stress locates w here pressure gr adients change their direction.T he distributio n of radial stress is the sam e as that o f oil film pr essure,w hich means com-pressive stress at the pressur e region.T he radial and tang ential stress m aximums are both in the inner sur-face of bear ing alloy .The shear stress is near the m aximum pressur e ,and r eaches m ax at the bonding sur-face of m id -section betw een backing and alloy .It is proved by theor etical calculation that the thinner the alloy ,the hig her the bearing fatig ue streng th.

Key words :bear ing alloy ;stress;pressure g radient;finite element analy sis

动载滑动轴承在周期性循环变化的油膜压力作用下,将在合金层产生循环变化的径向应力 r 、周向应力 t 及剪切应力 .由于油膜压力形状的不规则性及实际轴承系统的复杂性,使得应力的求解有一定的难度,国内外学者曾提出了一种计算模型和计算方法[1～3]

,他们研究发现,轴瓦承载区合金层中的循环交变应力将导致轴瓦表面疲劳失效,合金层在

周向拉应力作用下最易发生疲劳,疲劳裂纹常常出现在最大拉应力处.而拉应力的大小不仅和油膜压力的大小有关,更取决于压力梯度.压力梯度大时,合金层受到的拉应力较大.交变正应力使轴瓦合金层表面疲劳,而交变剪应力使钢背和合金层的结合面疲劳.轴瓦材料耐疲劳性随着合金层厚度和温度的升高而降低[4].

本文利用有限元软件ANSYS 计算了轴瓦,尤其是合金层的应力分布,探讨了油膜压力分布、轴承

座弹性模量、合金层厚度等对轴瓦应力的影响.

1　轴瓦有限元模型

实际轴瓦可以简化成三层圆筒模型:最里面是轴承合金层;中间是钢背;最外面是轴承座,与前两者相比,这部分通常较厚.假定这三层是紧密地结合在一起,合金层的径向尺寸只有0.2～0.6mm,对于安装在整个机体中的主轴承来说,轴承座的厚度与之相比可以认为是无穷大的,但在有限元划分网格和计算时必须给轴承座厚度一个确定的值.

由于油膜压力分布呈抛物线状,且轴瓦结构具有对称性,取轴瓦半宽作为分析求解区域.采用各向同性的线弹性材料,忽略轴瓦表面摩擦力.轴承系统共划分为3456个8节点六面体单元,其中合金层的划分较密,为1152个单元.中间剖面采用面对称约束,轴承座外部固定,负荷为作用在轴瓦内表面的油膜压力.

在上述轴瓦模型中,涉及到截面、层等概念,现定义如下:

轴瓦(合金层)内表面,即与轴颈产生相对运动的表面.

截面,即与轴瓦中轴线垂直的平面.轴瓦宽度方向的中间剖面称为中截面(亦称截面5),轴瓦的端面称为边缘截面(亦称截面1),从边缘截面到中截面之间依次为截面1～5.

层,即与轴瓦内表面平行的截面.根据有限元网格的划分,自轴瓦内表面至合金层与钢背的结合面依次为第1～5层.

2　影响轴瓦合金层应力的因素

影响轴瓦合金层应力的因素有很多,如:轴承座厚度、轴承座弹性模量、油膜压力梯度等.为分析上述各因素对轴瓦应力分布的影响,建立如下轴瓦模型:轴瓦宽度t k=27mm,直径63.2m m.合金层材料AlSn20Cu,弹性模量E=63GPa,泊松比1= 0.31,厚度t a=0.5mm;钢背材料08Al,E=210 GPa,泊松比2=0.29,厚度为1.85mm.

2.1　轴承座厚度对轴瓦应力的影响

为确定轴承系统模型中轴承座的厚度,本文探讨了不同厚度轴承座t h对合金层应力分布的影响.以轴瓦厚度t b作为度量轴承座厚度的标准,选择了厚度分别为轴瓦厚度10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70和80倍的轴承座进行分析.利用图1所

示的油膜压力p分布作为轴瓦表面的压力负荷,对上述AlSn20Cu轴瓦(假定轴承座材料与钢背材料相同,即E=210GPa,泊松比=0.29)进行计算.

图1　计算所用油膜压力瞬时分布图

Fig.1　T ransient oil film pr essur e distr ibutio n

图2(a)为轴瓦合金层中径向应力最大值 r,max 和最小值 r,min随轴承座厚度的变化,由图可见,径向应力对轴承座的厚度不敏感,只要轴承座厚度大于轴瓦厚度30倍即可满足精度要求.图2(b)为轴瓦合金层中周向应力的最大值 t,max和最小值 t,min 随轴承座厚度的变化,由图可见, t,max受轴承座厚度的影响较大,它开始时随轴承座厚度的增加而增大,直到轴承座厚度等于轴瓦厚度的50～60倍时达最大值,之后呈下降趋势,但从40倍后应力改变的幅值不大,故认为计算时取大于轴瓦厚度的40倍皆可.

图2　应力随轴承座厚度的变化

Fig.2　Str ess v ariatio n vs housing t hickness

2.2　轴承座弹性模量对轴瓦应力的影响

轴瓦的有限元模型中,轴承座内表面的变形可以直接传递到轴瓦.在弹性轴承座下允许轴瓦外层

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