挖掘机曲臂关节滑动轴承油膜压力及合金层应力分布

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挖掘机是各种土石方施工中不可缺少的高效率的机械设备。挖掘机铲斗曲臂关节作为挖掘机的直接执行部件，其所承受的载荷状况特别复杂，主要因为挖掘机曲臂关节部分处于开式环境下，同时挖掘工况复杂多变，铲斗曲臂关节处采用传统的滑动轴承往往无法建立足够的油膜厚度以实现流体润滑，处于边界润滑状态。滑动轴承作为易损件，它的润滑周期及使用寿命直接影响挖掘机的工作效率，因而延长轴承的寿命，是提高挖掘机的工作效率最直接的手段。

滑动轴承合金层所承受的循环交变载荷是导致轴承失效的根本原因，对滑动轴承油膜压力和滑动轴承合金层应力的研究是对滑动轴承进行设计和失效分析的重要理论依据。笔者以某挖掘机曲臂关节滑动轴承为例(其合金层采用铜基粉末合金材料)，利用迦辽金法计算滑动轴承的油膜压力，将循环变化的油膜压力加载于滑动轴承的有限元模型中，求解出合金层的应力应变分布，从而分析滑动轴承油膜压力分布和滑动轴承应力与应变的关系。

2 滑动轴承油膜压力分布本文所研究的是不可压缩油膜形式，则常用Reynolds方程无量纲形式为：A (h批aP)未( )6 (1)对于式 (1)解 P( ， )是二维连续 函数，应用Fourier级数逼近法，如果在 和 A方向上都用各阶三角函数作为基函数，构成二维三角级数，则可将 P的近似表达式 P写成 ：五 ni 1 i 1inW2 1 。s(2)式中： 。和 依次为油膜起始边和终止边的角位；m·n个 a 都是待定系数，本文取 m10，n：5。

这个表达式已满足全部边界条件，现在确定各a 使其最佳满足方程(1)，这样就得到了压力分布的近似解。因为P是近似解，所以带人方程后，-般不会使方程左、右方敲相等，现定义左、右方之差残量”R( ，z)，即：R毒( dOP )(车) ( OPt 0 dA)-3 dD d(3)将式(2)带入，可得：R aq.i 1 J 1-[(1) (百 × 2 。

收稿日期：2013-Ol-o7作者简介：弥 宁(1975-)，男，甘肃庆阳人，讲师，主要从事机械设计制造专业的教学和科研工作。

· 58·· 杌械研究与应用 ·2013年第1期(第26卷，总第123期) 应用与试验车)z] 。i - ×2 - 1 2 - 1 dCOS COS -3 (4) - - -- - -- j I斗2 - 1 Q迦辽金法要求此残量正交于每个基函数 ，即：硒 dA ：0J I J -1 2 - 1 z以此保证P能在-定意义上最佳”的近似满足方程～式(4)带入式(5)，并将全部积分求出，得到m·n个对于各 的线性非齐次代数方程：口 [ .)盯 ( 丁d)]× (6)中：s1-m，t1-nF 2。z d Hyc。s sin dd表1 滑动轴承计算参数表参数名称 r 1 s C

无量纲压力分布P为：p10 5n cos(7)将求解的 值代人式(7)，得到无量纲P的值为：p：0.0285∑lO∑5。in 。。 (8)其中：A为轴承宽度系数。

当采用迦辽法对雷诺方程进行求解时，将表 1轴承计算参数带人求解结果，利用MATLAB软件进行仿真，得出图 1为滑动轴承的无量纲油膜压力的P，，A三维分布图。从图上可以看出，无量纲油膜压力在某-段逐渐增大到最大压力，之后急剧下降，整体分布近似正弦分布。

图1 P分布图 图2 滑动轴承的网格划分模型3 滑动轴承合金层应力有限元分析为求解挖掘机曲臂关节滑动轴承的合金层应力，根据表 2中的主要结构尺寸，建立滑动轴承的三维实体模型，其中内层为合金层，外层为滑动轴承的钢背。

导人ANSYS中，选择滑动轴承中截面的圆心作为原点建立坐标系，水平方向为 轴，垂直方向为 y轴，沿滑动轴承宽度方向为 z轴。鉴于合金层与钢背的厚度和材料特性相差较大，在划分网格时采用 2种不同的单元进行划分，其划分结果见图2。

表 2 滑动轴承结构参数表在分析滑动轴承的应力应变特性时，忽略滑动轴承表面摩擦力，假设其在完全润滑的情况下，向合金层内表面施加沿滑动轴承圆周方向和宽度方向变化的载荷，对不同材料制成的滑动轴承在相同的条件下进行应力应变特性对比。分析时根据所计算的滑动轴承上的无量纲载荷结果 J，将求出的P分布乘以相对单位，即得有量纲的P分布，其中 6/r， 6.493rad/s，运用ANSYS命令语句把油膜 1个周期的压力分布施加于单元上 。

滑动轴承在循环变化油膜压力作用下，合金层产生了应力及应变。图3(a)所示为滑动轴承轴向应力分布图 j，可见在圆周方向的-定区域内，表面应力逐渐增加，当达到峰值后急剧降低。在滑动轴承的宽度方向，从外截面到中截面应力逐渐增大，合金层轴· 59·应用与试验 2013年第1期(第26卷，总第123期)·机械研究与应用 ·向应力的最大值位于 中截面附近，峰值为 58.211MPa。已知该材料的屈服极限为 290MPa，说明该材料的滑动轴承是安全的7 J。

图3(b)和(c)所示为剪应力分布示意图，在压力峰值周围和压力梯度较高的区域，存在剪应力。剪应力在合金层从表面至钢背呈逐渐增加的趋势，剪应力所产生的裂纹从合金层内部开始扩展。油膜压力最大值在滑动轴承的中截面处并且具有最大压力梯度，剪应力的最大值也在滑动轴承的中截面处合金层与钢背的结合 120。左右。

c]Yz-TY向骑应力分布图 (b)材料的应变分布曛图3 滑动轴承的应力应变图滑动轴承的应变分布如图3(d)所示，滑动轴承在油膜压力作用下的径向变形与油膜压力分布十分相似。在-定区域内，径向变形随着油膜压力的增大而增大，当油膜压力达到最大值时，径向变形也相应(上接第57页)常范围，方可判定为催化剂活性不足，此时可由工艺技术人员通知设备维护部门对催化剂进行维护。

第四步，实施维护∩以根据催化剂表面状况，有针对性地确定催化剂维护方法。催化剂常见失效及维护措施如下。

(1)催化剂颜色正常，蜂窝孔积