淺析螺旋溝槽式柱塞一銅套副的接觸應(yīng)力特性
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作者：張毅
本文借鑒表面織構(gòu)理念及環(huán)形溝槽式柱塞設(shè)計(jì)方法，提出一種螺旋溝槽式柱塞設(shè)計(jì)方案，而溝槽特征對(duì)銅套表面接觸應(yīng)力分布的影響情況有待人們的深入研究。目前，各類數(shù)值模擬方法在具有織構(gòu)特征的表面接觸問(wèn)題研究中得到廣泛應(yīng)用。本文采用動(dòng)態(tài)接觸特性的數(shù)值模擬方法，重點(diǎn)考察溝槽螺旋角變化對(duì)銅套表面接觸應(yīng)力分布的影響情況。
1 螺旋溝槽式柱塞的設(shè)計(jì)與有限元建模
1.1 螺旋溝槽式柱塞的設(shè)計(jì)
溝槽式柱塞的結(jié)構(gòu)如圖1所示，柱塞外圓柱面上設(shè)有兩段螺旋槽，在柱塞表面長(zhǎng)度為Z的局部區(qū)域設(shè)有螺旋溝槽，螺距為p。該方案可以利用螺旋溝槽及時(shí)捕獲并清理磨屑，從而減輕磨粒磨損。
以某型柱塞為例，柱塞直徑為@24 mm，柱塞體長(zhǎng)度為75 mm，設(shè)計(jì)的螺旋溝槽截面如圖1(b)所示。采用三角形截面，溝槽深度h=0.125 mm，溝槽寬W—0.5 mm，通過(guò)改變螺距p的長(zhǎng)度，可以分別獲得O。（環(huán)形）、5。、10。和15。螺旋角的螺旋溝槽。
1.2摩擦接觸幾何模型
在此對(duì)接觸模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，重點(diǎn)對(duì)銅套主要承載區(qū)進(jìn)行考察。如圖2所示，在距柱塞中心水平線位置e-6 mm處選取周向60。的區(qū)域，以及銅套周向60。的區(qū)域，作為計(jì)算區(qū)域。為了避免摩擦副模型在周向幾何邊界上的應(yīng)力集中對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，忽略銅套接觸層計(jì)算區(qū)域周向兩側(cè)5。區(qū)域的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。在軸向上，截取長(zhǎng)度為18 mm的溝槽段進(jìn)行建模分析，重點(diǎn)考察溝槽對(duì)銅套表面接觸應(yīng)力分布特征的影響。
1.3材料模型
本文主要考察銅套表面在正常工作接觸狀態(tài)下的應(yīng)力變化情況，因未達(dá)到塑性變形和磨損階段，故將柱塞接觸層和銅套定義為線彈性材料。柱塞材料為GCr15鋼，彈性模量E1=206 GPa，泊松比v1一0.30，密度p=7 830 kg/m3。銅套材料為錳黃銅，彈性模量E2 -100 GPa，泊松比V2一0.33，密度p=8 930 kg/m3。
1.4單元類型和網(wǎng)格劃分
依據(jù)動(dòng)態(tài)接觸特性分析的有限元數(shù)值模擬方法，選用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體Solid164單元，該單元適用于各向同性彈性材料以及剛體材料。圖3為接觸模型網(wǎng)格劃分。
經(jīng)過(guò)多次嘗試，最后綜合考慮計(jì)算效率和精度要求，取接觸面單元尺寸為0.1 mm，銅套總體劃分單元數(shù)為123 900個(gè)。
1.5載荷施加與邊界條件設(shè)置
在溝槽式柱塞與銅套接觸的數(shù)值模擬中，忽略柱塞的圓周向自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將銅套外圓柱表面單元在x和y方向上固定；利用剛性體模型定義柱塞非接觸層，對(duì)其x、y和z方向進(jìn)行約束。動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別取0.1和0.08。
根據(jù)所研究對(duì)象工作載荷大小及相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，以低速重載工況為例，這里在柱塞非接觸層施加徑向載荷F。=360 N，對(duì)銅套施加恒定速度v2=0.01 m/s。
2 數(shù)值模擬結(jié)果分析
根據(jù)固體接觸應(yīng)力準(zhǔn)則分析可知，柱塞一銅套相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，接觸界面單元體的接觸應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜。在此重點(diǎn)考察螺旋溝槽設(shè)計(jì)對(duì)銅套表面等效接觸應(yīng)力場(chǎng)的影響。
圖4為某時(shí)刻（t=3 ms）銅套表面在無(wú)溝槽柱塞作用下的應(yīng)力分布情況。
由圖4可以看出，銅套與柱塞兩端接觸部位、銅套承載正下方即底部均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在二者的交匯處。非應(yīng)力集中區(qū)銅套表面單元應(yīng)力分布并不是完全均勻，但幅值大小變化比較平穩(wěn)，總體差異在0.45 MPa以內(nèi)。柱塞體設(shè)計(jì)有螺旋溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)，在t=3 ms時(shí)，銅套表面在具有不同螺旋角溝槽式柱塞作用下的應(yīng)力分布情況如圖5所示。
圖5中，溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)銅套表面相應(yīng)接觸位置的應(yīng)力分布產(chǎn)生了明顯影響。在銅套底部，與溝槽邊界接觸的銅套區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而溝槽中央對(duì)應(yīng)的銅套表面應(yīng)力則明顯下降。在非溝槽接觸區(qū)域，與無(wú)溝槽柱塞作用下的結(jié)果十分相似。
由圖5可知，有溝槽柱塞作用下銅套表面的最大等效接觸應(yīng)力也是發(fā)生在與柱塞端部接觸區(qū)域，表1為柱塞具有不同螺旋角溝槽時(shí)銅套表面最大等效應(yīng)力對(duì)比表。
由表1可知，與無(wú)溝槽柱塞作用相比，除了0。螺旋溝槽柱塞作用下銅套表面最大應(yīng)力稍有降低外(降低6.75%)，其他3種情況下最大應(yīng)力均略有增加。對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)溝槽及0。螺旋溝槽柱塞作用下，銅套底部?jī)蓚?cè)表面應(yīng)力分布具有很好的對(duì)稱特性，非應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力大小變化比較平穩(wěn)。在其他3種溝槽柱塞作用下，銅套非應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力變化起伏則相對(duì)較大，銅套底部?jī)蓚?cè)表面應(yīng)力分布沒(méi)有對(duì)稱性�？梢酝茢�，O。螺旋溝槽結(jié)構(gòu)有利于減輕銅套表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象；其他幾種螺旋槽柱塞由于其接觸作用的非對(duì)稱特性，會(huì)使得最大接觸應(yīng)力稍有增加，且隨著溝槽螺旋角度的增加，銅套表面最大等效應(yīng)力基本呈遞增趨勢(shì)。
圖6為各銅套底部應(yīng)力集中單元節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力分布曲線對(duì)比情況。
由圖6可以看出，在銅套與柱塞溝槽接觸部位出現(xiàn)了較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。比較發(fā)現(xiàn)，螺旋角度越大，由溝槽引起的應(yīng)力集中越明顯。無(wú)溝槽作用時(shí)，銅套底部的最大應(yīng)力為2. 963 MPa，而4種螺旋溝槽作用下在相同位置產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為3. 173 MPa、3. 457 MPa、3.722 MPa和3.744 MPa，分別增大了7. 09%、16. 7%、25. 6%和26. 4%。
3結(jié)論
(1)數(shù)值仿真結(jié)果表明，溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)銅套表面相應(yīng)接觸位置的應(yīng)力分布產(chǎn)生了明顯影響。在銅套底部，與溝槽邊界接觸的銅套區(qū)域出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而溝槽中央對(duì)應(yīng)的銅套表面應(yīng)力則明顯下降。
(2)隨著螺旋角度的增大，由溝槽引起的應(yīng)力集中越明顯，但數(shù)值均沒(méi)有超過(guò)銅套與柱塞兩端接觸產(chǎn)生的集中應(yīng)力大小，非應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力分布變化不明顯。
綜上可以推斷，由螺旋溝槽作用引起接觸應(yīng)力變化對(duì)銅套整體的接觸疲勞壽命影響是十分有限的，螺旋溝槽式柱塞設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可行性，本研究可以為新型柱塞一銅套副的減摩降磨設(shè)計(jì)提供參考。
4摘要：柱塞與銅套表面間的接觸狀態(tài)對(duì)柱塞泵的工作性能影響顯著。為了改善柱塞一銅套副的表面接觸性能，借鑒表面織構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理念，提出了一種螺旋溝槽式柱塞設(shè)計(jì)方案；利用動(dòng)態(tài)接觸特性分析的有限元數(shù)值模擬方法，重點(diǎn)考察了螺旋溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)銅套表面接觸應(yīng)力分布的影響情況。研究結(jié)果表明，螺旋溝槽式柱塞設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可行性，為新型柱塞一銅套副的減摩降磨設(shè)計(jì)提供參考。
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