本發(fā)明涉及船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，具體涉及一種軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)確定法，屬于船用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

船用發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后需要校核整機(jī)的強(qiáng)度，目前多采用有限元技術(shù)對(duì)整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命的分析，其中需要對(duì)劃分好的各部件的有限元網(wǎng)格模型定義相互約束關(guān)系，包括非線性接觸、耦合約束和綁定約束等。而對(duì)于其中的非線性接觸面需要定義相應(yīng)的接觸屬性，包括接觸面的摩擦系數(shù)等參數(shù)。各部件之間相互約束關(guān)系設(shè)置完成后，根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果在模型中施加相應(yīng)的載荷，包括重力、面壓力和集中力等，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及疲勞壽命的計(jì)算，完成計(jì)算后分別對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。

目前在船用發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析中，各零件之間接觸面的摩擦系數(shù)主要還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，其中也包含主軸承蓋與軸承座的接觸面摩擦系數(shù)。然而產(chǎn)品實(shí)際裝配中，影響接觸面摩擦系數(shù)的因數(shù)很多，如零件表面的光潔度、使用潤滑油的種類等。接觸面摩擦系數(shù)的設(shè)置對(duì)于有限元計(jì)算結(jié)果中接觸面的滑移以及接觸開口結(jié)果的影響很大，同時(shí)也可能影響到局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果，因此僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來對(duì)不同零部件之間的接觸副設(shè)置摩擦系數(shù)的方法是不合理的，實(shí)際上應(yīng)該根據(jù)零件不同的實(shí)際情況確定不同零部件之間接觸副的摩擦系數(shù)。目前，對(duì)于船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中主軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的確定方法未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)確定法，通過實(shí)驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確地確定出軸承蓋與軸承座接觸面的摩擦系數(shù)，為船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核提供精確的邊界條件，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

一種軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)確定法，其特征在于，首先安裝好包括連接螺栓、軸承蓋和軸承座在內(nèi)的試驗(yàn)裝置，對(duì)所述連接螺栓加載進(jìn)行試驗(yàn)，測量并記錄加載的螺栓泵壓及與其相應(yīng)的軸承蓋兩側(cè)張開量的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取試驗(yàn)結(jié)果中所述螺栓泵壓與張開量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后采用有限元方法對(duì)所述連接螺栓加載的過程進(jìn)行不同摩擦系數(shù)預(yù)設(shè)值下的仿真模擬計(jì)算，獲取仿真結(jié)果中各摩擦系數(shù)預(yù)設(shè)值下所述螺栓泵壓與相應(yīng)的軸承蓋兩側(cè)張開量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；根據(jù)所述試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果作出軸承蓋兩側(cè)張開量與螺栓泵壓關(guān)系的散點(diǎn)圖；最后對(duì)比仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，由最接近的數(shù)據(jù)中確定所述軸承蓋與軸承座接觸面的摩擦系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述的試驗(yàn)確定法包括如下具體步驟：

步驟一，進(jìn)行試驗(yàn)裝置的安裝，

所述試驗(yàn)裝置包括連接螺栓、軸承蓋、軸承座、液壓拉伸器和百分表，其中，軸承蓋通過兩側(cè)的連接螺栓固定在軸承座上，兩液壓拉伸器分別連接于兩連接螺栓的上端；

步驟二，進(jìn)行加載試驗(yàn)，測量并記錄不同螺栓泵壓下的軸承蓋的張開量，

在所述軸承蓋的兩側(cè)與軸承座接觸面接近處分別設(shè)定測量點(diǎn)，采用所述液壓拉伸器對(duì)兩連接螺栓進(jìn)行分級(jí)加載，每達(dá)到一級(jí)螺栓泵壓后，通過所述百分表分別測量和記錄所述軸承蓋在兩側(cè)的測量點(diǎn)處的張開量，最終獲取試驗(yàn)結(jié)果中所述螺栓泵壓與張開量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟三，建立主軸承蓋安裝組件的有限元模型并在不同的摩擦系數(shù)的預(yù)設(shè)值下求解，

根據(jù)試驗(yàn)裝置條件建立有限元模型，對(duì)所述軸承蓋與軸承座接觸面的摩擦系數(shù)設(shè)置一系列不同的預(yù)設(shè)值，分別計(jì)算在各摩擦系數(shù)預(yù)設(shè)值的不同螺栓泵壓下，軸承蓋在兩側(cè)測量點(diǎn)處的張開量；

步驟四，獲取不同摩擦系數(shù)預(yù)設(shè)值的仿真結(jié)果中軸承蓋兩側(cè)的張開量與螺栓泵壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

步驟五，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果作出軸承蓋的平均單側(cè)張開量與螺栓泵壓的關(guān)系的散點(diǎn)圖，

分別計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果中軸承蓋在測量點(diǎn)處的平均單側(cè)張開量，并作出該平均單側(cè)張開量與螺栓泵壓之間關(guān)系的散點(diǎn)圖；

步驟六，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，確定出軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)，

根據(jù)步驟五所作散點(diǎn)圖對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，將兩者中最接近的一組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)預(yù)設(shè)值確定為軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明(1)通過采用實(shí)驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方法，將結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，能夠更準(zhǔn)確地確定軸承蓋與軸承座接觸面的摩擦系數(shù)，使得到的摩擦系數(shù)更符合船用發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況；(2)為整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核提供更精確的邊界條件，縮短了研發(fā)周期。本發(fā)明特別適用于船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中采用傾斜的端蓋螺栓結(jié)構(gòu)的主軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的確定。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的方法流程圖。

圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)裝置安裝布置示意圖。

圖3是實(shí)施例中試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的平均單側(cè)張開量與螺栓泵壓的關(guān)系的散點(diǎn)圖。

圖中，1為連接螺栓，2為軸承蓋，3為軸承座，4為液壓拉伸器，5為百分表，A為左測量點(diǎn)，B為右測量點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明所述軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)的試驗(yàn)確定法作進(jìn)一步詳細(xì)闡述，但不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

采用試驗(yàn)與有限元技術(shù)相結(jié)合的方法對(duì)某船用低速柴油機(jī)主軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)進(jìn)行確定。

首先，加工出軸承蓋、軸承座等相關(guān)組件并進(jìn)行主軸承蓋與軸承座的安裝，對(duì)安裝好的軸承蓋與軸承座進(jìn)行試驗(yàn)，記錄加載的螺栓泵壓及其相應(yīng)的軸承蓋兩側(cè)張開量的相關(guān)數(shù)據(jù)，提取試驗(yàn)中泵壓與張開量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后采用有限元方法，對(duì)安裝的軸承蓋與軸承座加載的過程進(jìn)行不同摩擦系數(shù)下的仿真模擬，提取仿真結(jié)果中主軸承蓋兩側(cè)張開量與螺栓加載載荷之間的關(guān)系；作出試驗(yàn)和仿真結(jié)果中主軸承蓋兩側(cè)張開量與螺栓載荷關(guān)系的散點(diǎn)圖；最后，對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，由最接近的數(shù)據(jù)中確定出軸承蓋與軸承座接觸面的摩擦系數(shù)。

具體過程按照以下步驟來進(jìn)行：

步驟1：進(jìn)行試驗(yàn)裝置的安裝

請(qǐng)參閱圖2軸承蓋與軸承座的安裝示意圖，試驗(yàn)裝置主要包含軸承端蓋的連接螺栓1、軸承蓋2、軸承座3、液壓拉伸器4和百分表5，軸承蓋2通過兩個(gè)傾斜的連接螺栓1固定在軸承座3上，軸承座3與軸承蓋2的接觸面處于水平位置。兩液壓拉伸器4分別連接于兩側(cè)連接螺栓1的上端，兩側(cè)液壓拉伸器4的液壓油通過同一個(gè)高壓油管分流進(jìn)入，保證了在連接螺栓1泵緊的過程中，兩側(cè)連接螺栓1的預(yù)緊力載荷相同。圖中A和B為試驗(yàn)中采用百分表5提取加載后軸承蓋2張口量的左、右測量點(diǎn)的位置。本實(shí)施例中，滑動(dòng)軸承軸孔配合的基本尺寸為440mm。

步驟2：進(jìn)行加載試驗(yàn)，測量并記錄不同螺栓泵壓下的軸承蓋2的張開量

采用液壓拉伸器4對(duì)兩個(gè)傾斜的連接螺栓1進(jìn)行泵緊，試驗(yàn)中采用分級(jí)逐步泵緊，每一步泵緊達(dá)到一級(jí)泵壓后，通過百分表5分別測量和記錄軸承蓋2在兩側(cè)的左測量點(diǎn)A和右測量點(diǎn)B處的張開量△X₁和△X₂。試驗(yàn)過程中記錄的測量數(shù)據(jù)見下表1。由表1中看出，軸承蓋2在右測量點(diǎn)B處未發(fā)生移動(dòng)，△X₂均為0，左測量點(diǎn)A處的張開量△X₁隨著螺栓泵壓的增加不斷增大。當(dāng)螺栓泵壓在90～690Bar范圍內(nèi)，左測量點(diǎn)A的張開量△X₁基本沒發(fā)生變化。

表1軸承蓋與軸承座在試驗(yàn)過程中張開量的測量結(jié)果

步驟3：建立主軸承蓋安裝組件的有限元模型并在不同的摩擦系數(shù)的預(yù)設(shè)值下求解

按照試驗(yàn)裝置的條件，建立主軸承組件的有限元模型，有限元模型主要包括連接螺栓1、軸承蓋2和軸承座3，其中連接螺栓1采用一階六面體單元，單元類型為C3D8I，其余部件采用二階四面體單元，單元類型為C3D10M。模型單元數(shù)約為31萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為59萬。

有限元計(jì)算過程中，軸承座3底面采用固定約束，連接螺栓1連接處采用綁定約束，并且定義其余各零件之間的接觸關(guān)系。連接螺栓1通過液壓拉伸器4進(jìn)行拉緊，連接螺栓1預(yù)緊力載荷通過公式F＝p*s計(jì)算得到，其中p為液壓拉伸器4加載的螺栓泵壓，s為液壓拉伸器4的有效作用面積。本實(shí)施例中，s為5966mm²。

對(duì)軸承蓋2與軸承座3的接觸面的摩擦系數(shù)f設(shè)置一系列不同的預(yù)設(shè)值，分別計(jì)算在不同螺栓泵壓下，主軸承蓋組件的變形情況，即軸承蓋2兩側(cè)的左測量點(diǎn)A和右測量點(diǎn)B處的張開量△X₁和△X₂。

步驟4：提取不同摩擦系數(shù)f預(yù)設(shè)值的仿真計(jì)算結(jié)果中軸承蓋2兩側(cè)的張開量△X₁和△X₂與螺栓泵壓的關(guān)系

下列表2為本實(shí)施例的仿真計(jì)算中，當(dāng)摩擦系數(shù)f預(yù)設(shè)值為0.07的條件下，螺栓泵壓分別為90、320、500、690、890、1100、1300、1500Bar時(shí)的軸承蓋2的左測量點(diǎn)A和右測量點(diǎn)B處的張開量△X₁和△X₂的計(jì)算結(jié)果。由表2中可看出，張開量△X₁和△X₂左右對(duì)稱，即左測量點(diǎn)A和右測量點(diǎn)B的張開量△X₁和△X₂基本相同。

表2軸承蓋與軸承座在仿真過程中的計(jì)算結(jié)果(f＝0.07)

步驟5：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果作出軸承蓋2的平均單側(cè)張開量△X與螺栓泵壓的關(guān)系的散點(diǎn)圖

將試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，分別計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果中軸承蓋2在兩側(cè)測量點(diǎn)處的平均單側(cè)張開量△X＝(△X₁+△X₂)/2，計(jì)算結(jié)果見表3，其中仿真計(jì)算結(jié)果中包含了一系列摩擦系數(shù)f不同預(yù)設(shè)值下的平均單側(cè)張開量。根據(jù)表3作出散點(diǎn)圖如圖3。

表3試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

步驟6：根據(jù)散點(diǎn)圖對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，將最接近的一組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)f預(yù)設(shè)值確定為軸承蓋與軸承座接觸面摩擦系數(shù)

比較試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果可以看出，試驗(yàn)結(jié)果中，螺栓泵壓在90～690Bar時(shí)，軸承蓋兩側(cè)的平均單側(cè)張開量△X基本不變，因而在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，將該部分?jǐn)?shù)據(jù)忽略；螺栓泵壓在690～1500Bar的范圍時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與摩擦系數(shù)f預(yù)設(shè)值在0.06和0.08之間(約為0.07)的仿真計(jì)算結(jié)果相接近，因此，設(shè)置軸承蓋2與軸承座3接觸面的摩擦系數(shù)為0.07，并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核和疲勞壽命計(jì)算。