（机械制造及其自动化专业论文）人字门底枢减摩抗磨结构材料及润滑设计.pdf

学位论文作者签名：膏父磊卜 日期：加7 年争9 2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 矽j 7 年午月2 2 ，日 保 不 倒良 年解密后适用本授权书。 指导教师签名：诵 哆年瑚越日 计 a l 的磨损问题，探索采用自润滑复合材料，将结构设计、材料设计与润 滑设计有机地结合起来，以彻底解决船闸人字门底枢运转件易磨损的 难题。 首先，从结构设计角度出发，通过赫兹接触理论分析与有限元数 值计算，提出了增大球面半径、减小配合间隙、使用浮箱减小外载和 注油孔偏移帽轴线等减少船闸底枢磨损的措施。通过对船闸考察，结 合常年进行船闸维护工程人员的经验验证了上述理论措施在改善船 闸底枢的摩擦磨损状态的积极作用。 其次，从材料设计角度，积极采用先进的自润滑材料：华龙的高 分子材料、大连三环铜基镶嵌自润滑材料f z 5 ( 3 ) 和镶嵌式 3 8 c r m o a i a ，通过m m 一2 0 0 试验和自制的摆动实验，得出犁沟及粘着磨 损是其主要的摩擦磨损机理的结论，同时结果显示f z 5 ( 3 ) 的减摩耐 磨性能最优，镶嵌式3 8 c r m o a i a 表现次之，华龙的高分子材料表现不 好。最后对大连三环的铜基镶嵌材料的基体2 号铜进行了机械性能测 试，结果显示其机械性能表现良好。 最后，从润滑设计角度，通过对现行的几种润滑装置的比较，结 f i r s to fa l l ，i nt h es t r u c t u r ed e s i g nt a c h e ，h zc o n t a c tt h e o r yw a su s e d f o rt h e o r ya n a l y s i s ，a n da n s y sw a su s e df o rc a l c u l a t i o n a st h er e s u l t ， i n c r e a s i n g t h er a d i u so fm u s h r o o mh e a d ，r e d u c i n gc l e a r a n c e ，u s i n g f l o a t i n gb o xt or e d u c et h el o a da n di n c r e a s i n g e h a dt h ee f f e c t o n c h a n g i n gt h eb a dw e a rs i t u a t i o no fb o t t o mp i v o t t h e s em e t h o d sw e r e a c c o r d i n gw i t ht h ee x p e r i e n c eo ft h ew o r k e r sm a i n t a i n i n gt h eb o t t o m p i v o tf o rm a n yy e a r s s e c o n d l y , i n t h em a t e r i a l d e s i g nt a c h e ，s o m e s e lf - l u b r i c a t i n g c o m p o s i t e s s u c ha s p o l y m e rm a t e r i a l m a d e b yh u a l o n gc o m p a n y , e m b e d d i n gm a t e r i a lf z 5 ( 3 ) m a d eb yd a l i a n s a n h u a nc o m p a n ya n dn e w 38 c r m o a l a ( e m b e d d e dw i t hs o l i dl u b r i c a n t s ) ，w i t ht h e r e s u l t so fm m 2 0 0a n dr e c i p r o c a t i n gf r i c t i o na n dw e a rt e s t e r m a d eb yd a l i a n s a n h u a n c o m p a n y , w ec o u l d k n o wt h a t m e c h a n i s mw a sp l o w i n ga n ds e v e r e a d h e s i o n f z 5 ( 3 ) 江苏大学硕士学位论丈 t r i b o l o g i c a lb e h a v i o rt h a nn e w38 c r m o a i a ，a n dp o l y m e r m a t e r i a lw a s n o ts u i t e dt h i ss i t u a t i o n a tl a s tw ed i ds o m em e c h a n i c a lt e s t sw i t hf z 5 ( 3 ) ， t h er e s u l t ss h o w e di t sg o o dm e c h a n i c a lc a p a b i l i t y a tl a s t , i nt h el u b r i c a t i o nd e s i g nt a c h e ，w ec o m p a r e dw i t hs o m e l u b r i c a t i n ge q u i p m e n t s ，a n dc h o s et h eb e s to n e a st h es o l i dl u b r i c a n t s h a dp t f e ，m o s 2a n dg r a p h i t e ，t h e r ew o u l db et r a n s f e rf i l m so nt h e c o u n t e r p a r ts u r f a c e s t o p r e v e n t t h ed i r e c tc o n t a c to fm e t a l s s o li d l u b r i c a n t sm a t c h e dw i t ht h el u b r i c a t i n gg r e a s eu s e di nt h es h i pl o c k s y s t e mw o u l dp r o v i d eab e t t e rl u b r i c a t i n gs y s t e mt h a n b e f o r e w ed i ds o m ee x p e r i m e n t sw i t ht h ee q u i p m e n ts i m u l a t i n gt h eb o t t o m p i v o tw i t hap r o p o r t i o n 1 ：10 w i t ht h er e s u l tw ec h o s e4 0 c ra st h e m u s h r o o mh e a dm a t e r i a la n df z 5 ( 3 ) a st h em a t c h i n gm a t e r i a l t h e s e m a t e r i a l sm a t c h e dw i t ht h eb e s tl u b r i c a t i n gs y s t e mw o u l ds o l v et h ew e a r p r o b l e mo f b o t t o mp i v o t k e yw o r d s ：m i t e rg a t e s ，b o u o mp i v o t ，m e t a l m a t r i x s e l f - l u b r i c a t i n g m a t e r i a l ，f r i c t i o na n dw e a lp t f e ，m o s 2 i v 1 1 江苏省船闸概况1 1 2 人字门底枢发展状况l 1 2 1 人字门底枢当前的问题1 1 2 2 国内改善人字门底枢所做的努力2 1 3 复合材料的发展状况4 1 4 金属基自润滑复合材料的研究进展5 1 5 本课题研究内容8 第二章结构设计优化1 l 2 1 结构设计的原则1 l 2 2 赫兹接触理论分析1 l 2 3 有限元接触变形计算1 2 2 3 1 结构简图、材料参数和建模1 2 2 3 2 加载、求解和后处理1 4 2 4 参数选择及结构优化计算1 6 2 5 本章小结2 0 第三章材料选择试验2 3 3 1 试验材料简介2 3 3 1 1 大连三环铜基镶嵌自润滑轴承材料f z 5 ( 3 ) 2 3 3 1 2 华龙高分子材料2 5 3 2 删2 0 0 试验2 6 3 2 1 实验部分2 6 3 2 2 结果与讨论2 7 3 2 3 摩擦磨损机理分析2 8 3 3 大连三环自制摆动试验一2 9 3 3 1 实验部分2 9 3 3 2 结果与讨论3 0 3 。4 机械性能测试试验3 1 v 江苏大学硕士学位论文 3 4 1 硬度测试3 2 3 4 2 拉伸试验3 2 3 4 3 载荷一摩擦系数关系3 3 3 5 本章小结3 5 第四章润滑设计3 7 4 1 目前船闸润滑系统简介3 7 4 1 1 船闸底枢目前采用的润滑剂3 7 4 1 2 船闸底枢采用的润滑结构及原理3 8 4 2 润滑设计优化4 2 4 2 1 镶嵌式固体润滑轴承的自润滑机理4 3 4 2 2 固体润滑剂4 4 4 3 本章小结4 5 第五章台架模拟试验4 7 5 1 台架试验简介4 7 5 1 1 试验仪器及其工作原理4 7 5 1 2 试样制备4 8 5 1 3 模拟磨损试验材料磨损测量方法4 9 5 2 试验方案及设计5 0 5 2 1 水润滑5 0 5 2 2 含m o s 。锂基脂润滑：5 0 5 3 试验结果及讨论5 l 5 3 1 水润滑条件下5 l 5 3 2m o s 。锂基脂润滑条件下5 4 5 4 本章小结5 6 第六章结论与展望5 7 6 1 结论5 7 6 2 展望5 9 致谢6 l 参考文献6 3 v i 管 家 由 输 通 严 重，更换、维修频繁，严重时造成船闸停航，因此迫切需要解决船闸运转件的摩 擦、磨损与润滑问题。 由于船闸运转件( 特别是水下运转件) 的摩擦磨损【2 l 是造成船闸停航的主 要原因，尤其是人字门底枢的摩擦磨损问题非常突出，所以解决人字门底枢减摩 抗磨性能的问题成为船闸技术改造的重点。江苏省交通厅航道局、江苏省交通工 程总公司、苏北航务管理处等单位联合承担了船闸运转件磨损实验项目的研究， 该项目从1 9 9 2 年1 0 月开始至2 0 0 1 年6 月完成，前后共用了9 年的时间完成了 该项目的研究，认为“使用最常用的国产金属材料及常规的金属材料表面处理工 艺，去制作船闸重要的摩擦副零件，并对摩擦副材料及硬度值进行合理的搭配， 以及运用正确的润滑方式对摩擦副进行润滑，能显著地提高零件地耐磨性能，大 大地延长零件地使用寿命”。该项目对人字门底枢地设计有一定地指导意义，但 研究涉及地材料面过窄、研究内容单纯以磨损实验为主，未能从结构、材料、润 滑三方面综合考虑来寻找解决问题的途径，因此未能从根本上解决人字门底枢的 磨损问题。 涂处理。在实际使用中，我省船闸大部分处于低速重载的情况，而且在运行中润 滑状况不好，在很多情况下是在水润滑条件下工作的，从过去实验结果来看，在 水润滑下，蘑菇头摩擦副的平均接触压力在1 2 m p a 时，难以满足运转1 5 万次的 使用要求，其主要的磨损形式为粘着磨损。因此单一的金属材料在这种恶劣的工 况条件下，难以满足实际使用的要求。在国外船闸人字门底枢上，使用了很多的 复合材料，尤其在润滑不利的条件下使用了不同的固体润滑复合材料。目前我省 船闸一般都采用常规的金属材料，有成功的经验，但也有失败的教训，因此研究 将国内新型材料应用于船闸人字门底枢上的可行性，拓宽新材料、新技术的应用 领域，着重研究能满足船闸运转件使用要求的自润滑复合材料是目前解决船闸运 转件磨损严重的途径之一。 既要满足结构型式 合理，又要便于检修和更换。对于三峡船闸人字门这种特大型闸门结构，底枢的 结构型式宜选用固定式底枢，并采用连续式承压条支承，从而使支承应力较小。 为减小传至底枢上的水平力，可设置弧形钢圈和青铜支垫来承受闸门启闭过程中 可能作用在底枢上的水平力，从而减小作用在底枢蘑菇头及衬垫上的水平力，达 到减小磨损的目的。该方法已在京杭大运河苏北段的淮阴、淮安、宿迁等一些船 闸大修改造后的人字门中使用【5 i 。 为了减小承压条的挤卡或磨损，可适当加大底枢旋转中心与支承反力作用线 间的偏心距e 。美国陆军工程兵团船闸人字门设计资料中建议该偏心距取 1 7 7 8 m m 。此外，为方便检修，对于蘑菇头底面的垫板，可设计成可抽动式。当 需要检修时，只需顶起门扇，拆卸蘑菇头侧面的半环形挡块后，即可抽出垫板从 而使蘑菇头降落在垫板下的承轴台的底板上，即可取出进行更换，使底枢蘑菇头 在水下更换成为可能。 其次合理布置润滑系统，改善底枢润滑条件方面。为改善底枢的工作条件， 减少磨损程度，必须设置专门的油质润滑设施。此外，为了能在水上随时检查水 下底枢的润滑情况，宜设置回油管，回油管的出口应接到下游最高水位以上，这 样，一方面可随时检查底枢的注油润滑情况，同时，也可防止污油长期直接排入 闸室内。另外，对于进出油管的进口和出口位置，衬垫上油槽的数目、布置及尺 寸，油管的管径，油脂的粘稠度及泵送性能均应认真研究、合理选用，从而达到 良好的润滑效果。 再次提高材质工艺、合理进行匹配方面。为减小磨损，应合理选配底枢摩擦 副的材料，着重提高其耐磨性，并适当减小摩擦系数。根据使用经验，可由原钢 与铜匹配改用钢对钢匹配，而且使衬垫的硬度大于蘑菇头的硬度。钢对钢匹配的 底枢摩擦副在苏北运河复线船闸人字门的大修中已广泛采用。此外，当采用钢和 铜匹配的底枢摩擦副时，应注意选用高强、耐磨的青铜合金材料。如国内新研制 的一种高强、耐磨高锰铝青铜合金，其表面采用固溶强化热处理方法，硬度可达 h b 2 0 0 ，若经试验研究，可考虑做为底枢衬垫材料。 最后设置浮箱【6 1 【7 1 ，减小底枢蘑菇头的挤压应力方面。为了减小底枢蘑菇头 江苏大学硕士学位论文 的比压，除可适当加大蘑菇头直径外，最直接有效的措施就是在人字门的水下部 分几根主横梁间的空档设置浮箱，可减小作用在底枢上的竖向力及由闸门自重产 生的作用在顶底枢上的水平力，从而减小底枢的比压值。苏北运河某些船闸人字 门在大修技术改造中，曾采取增设浮箱的措施，布置浮箱后，底枢摩擦副上的比 压减4 , n 原来的l 2 1 3 ，从而减轻了项底枢摩擦副的磨损，效果明显。对于三 峡船闸人字门，由于门高很大，而下游最低水位较低，虽然布置浮箱不如中小型 船闸人字门效果明显，但经计算，布置浮箱后，底枢蘑菇头的比压也可减少1 4 左右，有一定效果。 1 3 复合材料的发展状况【8 】 所谓复合材料，是指把两种以上宏观上不同的材料，合理地进行复合而制得 的一种材料，目的是通过复合来提高单一材料所不能发挥的各种特性。复合材料 是多相材料；它包括基体相和增强相；基体相是一种连续相材料，它把改善性能的 增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相一般为分散相，主要起承 受应力和显示功能的作用这两相最终以复合的固相出现。复合材料既能保持原有 组成材料的重要性能，又可通过复合效应使各组分的性能相互补充，获得原组分 不具备的许多优良性能；有此种结构的涂料，称之为复合材料涂料，或简称复合 涂料。 根据复合所用基体材料的不同，可把复合材料分为金属基复合材料、无机非 金属基复合材料和聚合物基复合材料。根据增强材料不同可分为纤维强化复合材 料、颗粒强化复合材料和弥散强化复合材料。复合涂料主要以有机高聚物为基体， 无机陶瓷颗粒为增强体的复合材料，也有些以无机硅酸盐、磷酸盐为基体，或以 金属、有机填料为增强体。 从玻璃钢的研制成功并广泛应用以来，聚合物基复合材料以其具有比强度 高，比模量大，耐腐蚀，耐化学药品，耐烧蚀性能好，减震性能好等优点，备受 科研和工业等行业关注。但聚合物基复合材料存在工艺稳定性差，材料性能的分 散性大，长期耐高温与抗环境老化性不好等问题，有待于研究解决。涂料是涂覆 于材料或制品的表面，用以装饰和保护被涂覆材料表面的功能性材料。随着生产 技术的进步和性能要求的提高，涂料作为一种保护性材料的同时，还要具有多种 4 江苏大学硕士学位论文 功能性。新型涂料逐步以粉末涂料、水基涂料、静电喷涂涂料和电泳涂装涂料为 主要发展方向，同时在性能和功能上开发与研究具有多功能，高性能的复合涂料。 这些涂料按不同的用途要求而设计的具有许多特殊功能的涂覆材料，有些人称之 为特种涂料。其包括飞机蒙皮涂料、船舶涂料、耐热保护涂料、耐核辐射涂料、 化铣保护涂料、金属热处理保护涂料、润滑耐磨涂料、重防腐涂料、导电涂料、 防火涂料、示温涂料、伪装涂料、磁性涂料、带锈涂料和阻燃型绝缘涂料等。这 些涂料除了能保护和装饰被涂覆材料表面以外，还具有不同的力学、热学、声学、 光学、磁学、以及生物学等方面的特征。 近几十年来，材料科学取得了突飞猛进的发展。它利用化学组成和结构的原 理来阐明材料性能的规律性，进而研究和开发具有指定性能的新材料。材料的研 究己从靠经验摸索的办法发展到通过分子合成、材料改性及多种材料的复合得到 新材料，甚至是从分子( 原子) 结构的设计来完成预定性能的材料。 聚合物因其结构特点，其性能有着极大的可设计性- 其主要特点为： ( 1 ) 聚合物的分子链由很大数目的结构单元组成，每个结构单元相当于一个 小分子。一条链的长短主要由两价基团连接而成，也可以由三价或四价基团连成。 这些结构单元可以是相同的( 均聚物) 也可以是不同的( 共聚物) ，它们通过共价键 连成不同的结构，如线型、支链或网状的结构。 ( 2 ) 链长有限的聚合物分子含有官能团或端基，其中端基不是重复结构单元 的一部分，它们与其它可反应基团的反应以及反应后的性能是非常重要的，即使 在聚合物间存在程度很小的交联，也将对其物理、力学性能产生很大的影响。 ( 3 ) 聚合物分子间的作用力对于聚合物聚集态结构及复合材料的物理力学 性能有密切关系。一般聚合物的主链都有一定的内旋转自由度，使大分子具有无 数的构象，具有柔性。如果组成聚合物分子链的化学键不能内旋转，或结构单元 间有强烈的相互作用，则形成刚性链，使高分子链具有一定的构象和构型。 1 4 金属基自润滑复合材料的研究进展 金属基自润滑复合材料是材料科学研究须域的一个重要发展方向，其以在特 殊使用条件下具有的摩擦学特性而受到人们的广泛关注。为了促进这类复合材料 的研究和应用的进展，文献【9 1 对国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展作 江苏大学硕士学位论文 了综合介绍与评述，并讨论了环境因素对材料摩擦学性能的影响，并且通过应用 实例，提出了今后研究工作中应当重视的几个努力方向。 金属基自润滑复合材料是固体润滑剂作为组元被加入到金属基体中形成的 复合材料，兼有金属基体的特性和固体润滑剂优良的摩擦学特性。金属基自润滑 复合材料的摩擦磨损性能一般具有这样的规律，随着固体润滑剂颗粒含量的增大 复合材料的摩擦系数都呈下降趋势，到一定含量后，达到稳定值，不在变化。而 复合材料的磨损率随固体润滑剂颗粒含量的增大，先减小后增大。一般认为，这 是由于金属基自润滑复合材料在磨损过程中，形成了一层稳定的润滑膜【l o 】【l l 】， 因此复合材料偶件之间的摩擦变成了固体润滑剂薄膜之间的磨损，因此摩擦系 数下降【1 2 】1 1 3 】；而磨损率的这种变化规律是由于固体润滑剂颗粒相强度较低，它 的加入导致了复合材料整体强度与硬度的下斛1 4 1 【1 。一般情况下，固体润滑剂 颗粒越大f 1 6 】【1 7 j ，以其复合的材料的磨损速率越, f s t l 8 i1 1 9 】。就固体润滑剂体积分数 比较高的金属基自润滑复合材料而言【2 0 】1 2 l 】，其磨损速率通常比较低且稳定。而 当固体润滑剂的体积分数给定后，复合材料的磨损率则是随着接触压力的增大而 上升，随着滑动速度的增大而降低 王连超，朱正色【2 2 1 ，对所研制的三种钢背一铜基自润滑减摩复合材料进行 了干摩擦条件下的摩擦磨损特性研究，并与常用的减摩材料6 - 6 3 锡青铜减摩材 料作了对比试验。研究结果表明，所研制的自润滑复合材料比锡青铜具有更好的 减摩性；另外，多组元固体润滑剂的协同作用比单- n 入的效果显著。在磨损过 程中，能在对磨面间形成一层保护膜，具有减摩和抗咬合能力，磨损曲线较平缓。 并且，磨损机制主要是犁沟。 石子源【2 3 1 用预成型压力浸渗技术制备了石墨颗粒铝基复合材料。铝合金中 含有弥散分布的石墨颗粒，有优异的抗擦伤性能，低的磨损率，其膨胀系数、弹 性模量、热导率、导电率都能通过其所含的石墨颗粒数量来控制。复合材料的石 墨颗粒没有被损伤，仍成颗粒状。颗粒与基体之间界面清晰，无空洞及石墨颗粒 脱刀现象。随石墨含量的增加，复合材料的摩擦系数减少，而磨损量有所增大。 文章从润滑膜的连续程度和基体的强度极限两个角度考虑的。 骆灼旋，陈华信，陈春光【2 4 l 用挤压铸造法获得了几种石墨含量不同的锌一 石墨复合材料。所得组织界面结合状态良好，石墨分布均匀。这种材料在石墨含 6 江苏大学硕士学位论文 量低于5 ( w t ) 时，承载能力仍高于6 - 6 3 锡青铜。随石墨含量的增加复合材料 进入稳定磨损阶段的时间缩短，滑动过程平稳性增大，摩擦表面温度降低，摩擦 系数明显下降，而磨损率减小。锌基石墨复合材料是在硬的z a 2 7 合金上分布 着软的石墨相。由于石墨的剪切强度大，与金属表面上有一定的粘着力，因而， 复合材料在压力作用下，基体产生一定的塑性变形，摩擦面上的石墨则被碾成一 层连续的石墨膜，保护材料表面，使材料的摩擦系数减小。 黄来铀，王伟1 2 5 】在铝锌系合金中j n * 自润滑石墨颗粒，制成铝基轴承复合 材料。该材料的抗拉强度和硬度优于6 - 6 3 锡青铜，而摩擦系数和磨损率则低于 江苏大学硕士学位论文 面石墨覆盖的过程。文章还提出了个计算复合材料摩擦系数的公式。 李如铁，李溪滨【2 8 j 研究了在n i 2 0 c r 合金粉中添加m o s 2 通过热压法制备得 到的高温自润滑材料的摩擦学特性。研究发现，m o s 2 添加量在2 0 左右时，所 得材料具有最佳摩擦磨损性能。m o s 2 在热压过程中发生热分解，生成物在高温 下可以变软和融化，在摩擦面之间形成润滑膜，并具有转移性，从而具有减摩性 能。 杨永连1 2 9 1 认为对于烧结金属摩擦材料，基体是否形成连续而牢固的金属连 接，是评价基体组织结构优劣的首要因素。 通过以上研究结果可以发现金属基自润滑复合材料的摩擦学特性取决于摩 擦过程中其所含固体润滑剂的析出和弥散分布，固体润滑剂的含量、粒度和能否 在对摩表面中间发生转移形成连续而厚度适当的润滑膜。但到目前为止，人们对 这种润滑薄膜的形成机制及其破坏过程还并不十分清楚。 文献通过综合研究国外金属基自润滑复合材料研究进展，得出了类似的 结论。他们认为金属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能取决于以下几个方面- ( 1 ) 基体合金的组织合成分； ( 2 ) 固体润滑剂的性质、颗粒尺寸、形状及其在复合材料中的体积分数； ( 3 ) n 体润滑剂在复合材料中的分布状态和界面的性质和特征； ( 4 ) 合成方式在一定条件下也影响金属基自润滑复合材料的摩擦磨损性能； ( 5 ) 摩擦形成的润滑膜的性质，厚度和分布状态； ( 6 ) 润滑膜与基体的结合强度。 镶嵌式自润滑复合材料是一种新型的抗极压固体润滑材料，由金属底材与 嵌入底材的孔或槽中的固体润滑剂膏体构成。在摩擦过程中金属底材承担了绝大 部分负荷。经摩擦，孔或槽中的固体润滑剂向摩擦面转移或反转移，在摩擦面上 形成润滑良好、牢固附着并均匀覆盖的固体转移膜，大幅度降低了摩擦磨损。随 摩擦的进行，嵌入的固体润滑剂不断提供于摩擦面，保证了长期运行时对摩擦副 的良好润滑。 1 5 本课题研究内容 本课题主要通过对人字门底枢的结构设计、材料设计以及润滑设计的有机结 江苏大学硕士学位论文 合，寻求综合的最佳方案，以彻底解决船闸人字门底枢运转件的通病。 结构方面，通过赫兹公式理论分析与有限元数值计算分析船闸人字门底枢运 转件底枢结构形式的受力情况，进行优化设计。 材料方面，研究适用于船闸人字门底枢运转件的自润滑材料。通过对选取的 几种自润滑材料的不同试验的比较，选择出在工况条件下减摩抗磨性能最好的自 润滑材料。 润滑方面，研究与所采用结构形式和自润滑材料的运转件摩擦副相匹配的复 合润滑方式及装置，以期达到最好的润滑效果。 最后通过l ：l o 的台架模拟试验得出最佳的组合方案。 9 江苏大学硕士学位论 l o 丁扇自重产生的 ，不能承受关门 时静水压力引起的底主梁起三铰拱作用的水平推力。但是闸门经过长期运转，下 部的支、枕垫( 或承压条) 将有不同程度的磨损；同样，由于主梁的弹性压缩和承 压条( 块) 的挤压变形与磨损而产生的三铰拱的拱高下垂( 落拱) ，也将引起支承铰 点的移动和转动。如果底枢不能随之作相应的微动，将承受相当大的水平推力。 因此，底枢的结构型式，应使门扇上所承受的水压力不是通过蘑菇头，而是通过 支、枕垫座传到闸首墙上去。为此目前在底枢结构型式布置时，常采取如下措施： ( 1 ) 使顶、底枢中心连线的旋转轴相对于三铰拱的合力线有一偏向上游的偏心 距。这样在闸门关闭时，支垫与枕垫首先接触挤卡，以传递主梁的全部反力，防 止底枢蘑菇头剪断或底枢支座连接螺栓剪坏，而在闸门刚开启时，支枕垫又能很 快脱离接触，减小支、枕垫的磨损。 ( 2 ) 采用微动式底枢，在闸门径向变位时，底枢轴可允许有微量位移，借以将作 用在底枢上的水平推力由支、枕垫传递到闸首上。 ( 3 ) 当采用固定式底枢时，支、枕垫采用连续式承压条，以减小闸门径向位移的 可能性，改善底枢的工作。 从目前大多数船闸人字门所采用的底枢来看，底枢型式的选择是与挡水条件 下( 关门) 的支承型式有关，当采用分段式支、枕垫座时，一般可采用微动式底枢， 而大型人字闸门采用连续式承压条时宜采用固定式底枢。 2 2 赫兹接触理论分析 对于形状简单的几何体如半无限体、圆柱体( 座) 、圆球体( 座) 等的接触 弹性变形问题，可利用赫兹( h e r t z ) 公式计算两物体的接触位移、应力和应变等物 理参数【引1 ，由赫兹公式知两内接触球体的最大接触应力( m p a ) o m a x ：0 3 8 8 狐萨鬲 ( 2 1 ) 1 1 ( 2 ) 利用求解模块s o l u t i o n 进行有限元计算； ( 3 ) 利用后处理模块p o s t l 和p o s t 2 6 观察、分析计算结果。 2 3 有限元接触变形计算 2 3 1 结构简图、材料参数和建模 如图2 - 1 为船闸结构简图，其中蘑菇头、帽零件分别如图2 2 和2 3 。闸门 体相对底枢座的翻转力矩由顶枢拉座平衡，蘑菇头底部圆柱段通过固定装置与底 座相连，为偏于安全和简化计算，设门体及顶枢的重量均布于蘑菇帽顶平面。闸 门很量，通常约1 5 - 4 5 吨，船闸启闭时存在慢速约7 0 0 摆动，因此运转件较易 产生磨损。 图2 2 蘑菇头 图2 一l 船闸结构示意图 图2 3 蘑菇头帽 1 润滑油槽2 回油槽3 安装口 4 密封圈槽5 注油孔6 出油孔 蘑菇头为回转体，形状较简单，但蘑菇帽有相对尺寸较小的注油孔、润滑油 槽和安装口等，形状相对较复杂。蘑菇头、帽所用材料分别为4 0 c r 和3 8 c r m o a i a ， 它们皆是合金结构钢，查手册1 3 2 1 取弹性模量2 1 0 g p a ，泊松比0 2 7 5 ，两种材料的 屈服极限分别为7 8 5 m p a 和8 3 5 m p a ，由头、帽零件图知两接触球面粗糙度皆为 r a l 6 ，故取头和帽问摩擦系数为o 1 0 ，除去帽顶部油孔和槽，帽项面外载实际 江苏大学硕士学位论文 作用面积为3 4 3 0 4 5 m m 2 。 有限元分析时用户需耗费较多精力用于建模，此处采用s o l i d w o r k s 软件创建 三维立体模型，再通过幸i g s 格式导入a n s y s 软件中。蘑菇头和帽划分网格时选 择三维实体单元s o l i d 4 5 ，且选用接触单元c o n t a l 7 2 、目标单元t a r g e l 6 9 创建接触对，所建单元对覆盖在模型接触面之上，并自动产生一个实常数，软件 通过该公享的实常数来识别接触对。应在尺寸相对较小的油孔和油槽( 半径仅 r 2 ) 处划分较小网格以便逼近零件实际几何型面，两零件接触球面处也应网格 细化，如此才能使接触搜索计算收敛并且求得油槽、孔口等处应力集中数据，这 将导致模型单元和节点总数大为增加。考虑到头、帽外形尺寸较大，又下部出油 孔和安装口远离头与帽实际接触部位，故可将其忽略( 整体建模计算也表明，出 油孔和安装口处产生的应力、应变接近零，接触变形主要集中在头、帽顶部，故 这种近似是合理的) ，又采用周期对称边界条件可仅取基本扇块建模计算，这可 极大地减少计算量。 2 3 2 加载、求解和后处理 加载包括给模型施加各种外力和位移约束边界条件，正确合理的加载可以使 物理模型较好地反映实际工程背景、计算有较好的收敛性、甚至使所建模型得到 简化。此处分别取头、帽1 1 6 建模，划分网格后经映射得4 5 度扇块，定义高、 低角度组件后，就可施加周期对称边界条件。图2 一l 中蘑菇头除可绕轴线转动 ( 这有助于头、帽两运转件减磨) ，头底部圆柱其余5 个自由度被限制，计算蘑菇 帽顶面承载4 2 吨时接触应力。求解控制选项设置如下：选用静态小变形分析类 型，收敛精度取默认值0 0 0 1 ，反映分析历程的时间步和子步分别取l 、o 1 ，使 用n e w t o n r a p h s o n 算法，启用自动时间子步功能( 当子步太大导致计算不收敛 时将自动采用二分法减小子步重新计算，反之则增大子步以减少计算时间) ，计 算过程中用户可根据其间输出信息判断收敛趋势、查看求解进度或中断求解过程 以便及时修改所建模型。 值得注意的是：模型划分网格后只能近似逼近原有的几何形面，故即使事先 正确布置了两个相互接触的零件，加载求解时也会出现接触单元和目标单元之间 存在最大初始穿透( p e n e t r a t i o n ) 或最小初始间隙( g a p ) 的警告信息，当此穿透 江苏大学硕士学位论文 量或间隙量大于1 0 。i t t m 时，可能使计算不收敛或得不到正确结果，此时可根据 运行信息框中给出的坐标数据将相应的零件模型作适当移动，如此才能求得正确 数据。 经过6 个子步迭代，最后求得蘑菇头和帽最大轴向位移w m 默、最大等效应 力1 7 m 积和最大等效应变；m 麒的计算数据见表2 一l ，其分布如图2 4 和2 5 所 示，省略的等效应变分布与图2 5 相似，这是由于弹性变形时应力与应变成正 比所致，图中下部颜色标尺表示各种颜色所代表的参数数值( 与坐标反向的负值 位移表示压缩，表2 一l 中已取绝对值) ，由图易知该承载模型的接触变形、应力 和应变主要集中在头、帽接触项部的局部区域，且对称于扇块中面。 表2 1 接触变形计算数据 w 。( u m ) 盯。t x ( m p a )；。( 1 0 4 ) 蘑菇头 2 4 41 2 1 87 4 0 蘑菇头帽 5 3 71 5 2 o 9 2 3 图2 5 等效应力 接触问题是一种状态变化的高度非线性行为，在求解问题之前不知道接触区 域的位置和大小，表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，单元类型、网 格大小和划分方式、时间步长和边界条件等诸多因素都直接影响数据收敛性和计 夕纛园 江苏大学硕士学位论文 算效率，这需要用户根据计算输出信息反复调试才能作出较好的选择，同时对计 算机c p u 运算速度和内存大小也有很高要求。 2 4 参数选择及结构优化计算 接触面等效应力是衡量零件结构设计强度、研究摩擦和磨损性能的重要参 数，故这里取作蘑菇头、帽优化设计的指标参数。分析头帽接触计算所得的等效 应力分布图有助于零件结构优化设计，但为直观的数据比较，下文各表格中仅列 出等效应力的相关参数最大等效应力孑m 戤的计算结果。下面从外载吨位、 接触球面半径、平均配合间隙和注油孔偏移量等七个方面予以分析。参数化建模 为优化计算时零件尺寸修改提供了极大方便，但需通过多次试算修改网格尺寸和 迭代参数以解决计算发散性问题，有限元优化工作量非常大，结果数据总量达 7 5 g b 。 首先想到增加外载作用面积以减小接触应力和应变，但是这种想法是不实际 的。当外载4 2 吨作用面由2 1 0 增大至2 4 0 或减小至1 8 0 ( 但保持其它结构尺 寸不变) ，蘑菇帽顶面单位面积压力则由1 2m p a 变化至9 1 6 7m p a 和1 6 1 3 8 5m p a ， 相对变化幅度分别高达2 3 6 、3 6 5 ，经重新建模、加载计算后发现接触面的 位移、应力和应变等参数分布及其最大值却几乎不变。事实上由赫兹公式这也是 容易理解的：虽然单位面积压力有较大变化，但外载总量f 不变，故头和帽接触 球面处总作用力仍为f ，实际接触面积则几乎不变，从而对计算所得参数影响较 小。 采用零件图纸尺寸均值建模，取蘑菇头帽间接触摩擦系数为0 1 0 ，可求得各 种外载下蘑菇头孑m 戤和；m 舣如表2 2 所示，由该表分析可知：各种外载下孑m 双 与；m a x 之比皆近似相等；当外载4 2 吨时孑m 缸小于材料屈服极限，故模型处于弹 性变形状态；采用浮箱以减d , 夕t - 载是一种积极有效的减小接触变形措施。随着外 载的增大，迭代次数和计算时间明显增加，这是由于接触面积逐渐变大所致。 1 6 江苏大学硕士学位论文 表2 2 外载对等效应力和应变的影响 外载( t ) 1 52 03 04 2 矿。( m p a ) 8 5 99 3 71 0 7 61 2 1 8 ；。0 0 一) 5 2 25 6 96 5 37 4 0 摩擦系数是反映两运转件接触磨损的重要参数。蘑菇头和帽两零件球面粗糙 度变化将引起接触摩擦系数发生改变，当外载4 2 吨摩擦系数由0 变化至o 3 0 时， 由计算可知随着摩擦系数的增大，蘑菇头和帽；m 默都呈现近似的线性减小，但 是数值变化较小( 如表2 3 列出了蘑菇帽一o rm 缸计算数据) ，这是由于a n s y s 采用 准静态接触变形计算、且与外载反向的摩擦力可起部分抵消作用所引起，但船闸 开启时蘑菇帽存在慢速转动，其不同径向位置的质点圆周速度有较大差异，这将 使接触球面上周向摩擦应力产生变化，由此使两零件实际应力分布与有限元计算 结果有一定差异，由于球面顶部具有较大接触应力部位处相对周向速度较小，故 实际接触磨损最大部位将向具有较大周向速度的下部偏移，这与实际情况是一致 的。 表2 3 摩擦系数对等效应力的影响 摩擦系数 0o 0 50 1 0o 1 50 2 00 3 0 盯。( m p a ) 1 5 2 61 5 2 31 5 2 o1 5 1 61 5 1 21 5 0 4 当外载4 2 吨和摩擦系数为0 1 0 时，改变蘑菇帽、头的接触球面半径r l 和 r 2 ，同时增减零件的其它尺寸以保持外形结构的相似性，但为保证两摩擦面间充 分供油润滑，故使油孔和油槽尺寸不变，此时孑m a x 计算结果如表2 4 ，随着球 面半径基本尺寸的增大( 保持偏差不变) ，因接触承载面增大使应力、应变的分 布区域进一步扩大，从而使孑m 舯；m 默有较大减小( 由前文分析知这可排除外载 作用面积变化所引起) ，但球面半径s r l 5 5 时孑m 舣异常大，这主要由于相对尺寸 过大的油槽使帽顶部两槽所夹尖角太小从而引起较大的应力集中所产生，孑m 戤 减小有利于延长零件的使用寿命，但此时将增加结构尺寸和制造成本。 江苏大学硕士学位论文 表2 4 球面半径对等效应力的影响 球面半径( m m ) 1 5 51 6 51 7 51 8 51 9 5 蘑菇头孑。x ( m p a ) 2 1 1 31 5 3 21 2 1 89 5 37 6 0 蘑菇头帽孑。( m p a ) 3 5 0 61 8 0 21 5 2 01 2 8 i1 0 8 5 保持蘑菇头、帽的基本偏差不变，则可确保两零件摩擦润滑所必要的最小平 均间隙不变，此时若提高头、帽的制造精度，则可增大两零件的接触面积，从而 减少接触应力和应变的数值。当外载为4 2 吨和摩擦系数取o 1 0 时，表2 5 列 出了蘑菇头、帽基本尺寸s r l 7 5 、配合性质从图纸尺寸s r l 7 5 0 的1 7 5 删0 1 2 ：( 约 h 9 d 9 ) 至s r l7 5 17 5 ( 无偏差完全接触的理想情形) 数种精度时蘑菇头和帽孑m 甜， 表中平均间隙指帽、头球面半径均值之差。由计算所得分布图可知，随着配合间 隙的减小，存在接触应力、应变的区域明显扩大，且进一步向零件内部转移，接 触承载面积的增大使孑m a x 有较大减小，这有利于减少材料表面运转磨损。 表2 5 配合性质对等效应力的影响 配合性质图纸 h 8 d 8h 7 d 7h 6 d 6 s r l 7 5 1 7 5 平均间隙( m m )o 2 1 4 o 1 8 80 1 6 5o 1 50 蘑菇头孑。( m p a ) 1 2 1 81 1 7 41 1 4 31 1 1 87 8 7 蘑菇头帽孑。( m p a ) 1 5 2 01 4 6 71 4 2 51 3 9 21 2 9 8 蘑菇头帽使用约1 0 年后将产生严重磨损，船闸大修时测量两者接触球面的 最大磨损量通常可达5 1 0 m m ，严重时甚至磨穿，分析表明摩擦副同时存在粘 着、磨料、腐蚀和疲劳等多种磨损形式，接触面磨损机理甚复杂，这里为简化计 算假设两零件径向磨损量相等且处处均匀，此时球面磨损后仍为球面，在润滑油 槽已完全被磨耗的情况下，外载4 2 吨接触摩擦系数为0 2 0 时，求得孑m 舣如表2 6 所示，由表中数据可知，随着磨损量的增大孑m a x 急剧增大，这主要由于头帽 实际接触面积大幅减小所致，同时油槽磨损和配合间隙增大后，因润滑油泄漏使 两接触球面间难以进行有效的润滑，进一步恶化了两运转件的工作条件。 1 8 江苏大学硕士学位论文 表2 6 磨损量对等效应力的影响 径向磨损量( m m ) 2 3 4 5 蘑菇头孑。( m p a ) 1 4 3 2 1 8 1 82 0 5 12 2 4 i 蘑菇头帽孑一( m p a ) 3 5 0 14 2 9 2 4 8 8 45 4 3 5 蘑菇头、帽球面顶部是最主要的承载区域，由实践经验和计算分析皆可知， 零件的最大应力和应变都位于该区域。将注油孔开设在蘑菇帽中央，将减小接触 面积，也易使油孔和油槽的棱边、尖角处产生较大应力集中，从而影响承载和降 低零件使用寿命。当注油孔偏移帽轴线6 0 m m 计算所得等效应力、应变分布如图 2 6 和2 7 ，为减少数值计算量，此处采用尺寸为头1 5 m m 、帽6 m m 的粗大网 格( 油孔和油槽使帽网格不能过大以免精度太低) ，即便如此模型单元、节点总 数已分别达1 8 1 4 3 7 和3 4 5 0 3 。表2 7 列出了注油孔数种偏移量时孑m 戕计算值， 由表中数据可知注油孔偏移后将使孑m 戤大幅减小。 表2 7 偏