高温核用自润滑关节轴承设计及分析

王平 ,叶晓苇,曹均

(1.荆楚理工学院 机械工程学院，湖北 荆门 448000； 2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

关节轴承因结构简单、承载能力大，广泛应用在航空航天、海洋工程、核工程等领域，然而在高温工况下关节轴承的润滑受到限制，易发生摩擦损伤，从而影响其使用寿命[1-2]。目前自润滑关节轴承广泛采用衬垫编织物进行减摩处理[3-5]，将衬垫粘贴在轴承外圈内表面，将原有的钢与钢对磨改为钢与衬垫编织物对磨。通过对衬垫编织物进行改性处理从而降低摩擦因数，提高轴承使用寿命。然而纤维编织物不能应用在高温工况，特别是汽轮机、核主泵等温度较高的场合[6-7],故在高温工况下降低轴承摩擦因数是提高核用关节轴承寿命的关键技术。为此采用石墨镶嵌方法对轴承内圈结构进行优化设计。

核用关节轴承设计使用寿命为60年，为防止核污染泄漏等问题，核用关节轴承需在密闭高温环境下工作，并保证长期工作不替换。为保证安全性，需要对轴承进行疲劳寿命预测，而在现有疲劳仿真研究中，许多研究只针对单个零件进行仿真，忽略了接触和摩擦因数等因素[8-9]。针对温度的变化，也未进行变弹性模量仿真[10],故仿真结果并不精确。鉴于此，以新设计的自润滑关节轴承为例，通过热-结构耦合(摩擦热和结构强度耦合)仿真计算轴承的最大等效应力、结构变形，并进行疲劳寿命分析。

1 自润滑关节轴承减摩设计

核用关节轴承在启停、关闭及热膨胀时内外圈会发生相对转动。内圈外表面和外圈内表面形成摩擦副，如果没有润滑措施，摩擦因数较高，一般为0.3左右。高摩擦因数易导致摩擦表面温升、损伤，从而引起轴承失效。核用关节轴承一般使用温度在320 ℃左右，纤维编织物作为常见的减摩材料会在高温下失效。为改变内外圈摩擦副摩擦磨损形式，可设计石墨镶嵌结构。石墨是常用高温自润滑材料，使用温度在500 ℃以下[11]，在摩擦副作用下石墨被辗压成自润滑膜从而降低摩擦因数，一般在0.13左右[12]。由于外圈内表面镶嵌工艺比内圈外表面镶嵌工艺复杂,在内外圈结构尺寸均不变的前提下，在轴承内圈外表面打孔镶嵌石墨以降低摩擦因数，石墨排列如图1所示，镶嵌石墨面积占内圈轴承外表面面积的30%～40%。镶嵌石墨后在内外圈之间铺设一层二硫化钼粉末，粉末颗粒直径为10 μm左右，进一步降低了摩擦因数。经分析摩擦因数可达到0.08，远小于原轴承的摩擦因数[13]。这是因为未进行减摩设计的轴承摩擦副材料为H1025不锈钢和C96900铜合金，在高温时润滑特性较差,而新设计的轴承由于石墨、内圈材料热膨胀因数不同，摩擦副在高温工况时会挤压石墨形成磨屑，进一步辗压成自润滑膜，从而降低摩擦因数。

图1 内圈外表面镶嵌结构

镶嵌石墨会使内外圈摩擦副摩擦因数降低，但内圈结构发生改变，故有必要对轴承的最大等效应力、最大变形和疲劳寿命进行分析。

2 仿真分析

2.1 热-结构耦合仿真

核用关节轴承主要用于核主泵和汽轮机，属于高温工作环境，内外圈相对运动时会造成温升现象，应进行热-结构耦合仿真分析。为缩短计算时间，减少CPU占用量，利用三维建模软件UG建立其结构的1/4模型，如图2所示。其中外圈外径222 mm，宽104 mm;内圈外径200 mm，内径为152 mm，宽120 mm;轴长214 mm。其中外圈材料为H1025不锈钢，内圈材料为C96900铜合金，各材料参数见表1。分别对外圈施加固定约束，对轴、内外圈端面和剖面施加对称约束，对轴与内圈内表面、内圈外表面与外圈内表面设置摩擦接触副。对轴与内圈接触面、内圈与外圈接触面进行网格细化处理，在轴端面施加2 000 N载荷。分别对石墨镶嵌轴承进行热-结构耦合仿真、无耦合仿真，对未进行镶嵌石墨的轴承进行耦合仿真。轴承应力云图及变形云图分别如图3、图4所示。

图2 核用关节轴承模型(1/4模型)

表1 材料参数

由图3、图4可知：进行减摩设计的轴承外圈最大等效应力发生在外圈内表面，而最大结构变形发生在下表面边缘处，内圈最大等效应力和最大结构变形均发生在镶嵌石墨孔边缘处；未进行减摩设计的轴承外圈最大等效应力也发生在内表面，最大结构变形同样发生在下表面边缘处。而内圈的最大等效应力和最大结构变形主要发生在外表面边缘处。由于热应力的存在，热-结构耦合仿真最大等效应力和结构变形比未进行耦合仿真的应力大，同时温度变化会引起各零件发生热膨胀变形，导致等效应力和应变发生变化。故在温升工况下应进行热-结构耦合仿真，减摩设计的轴承等效应力虽比原轴承大，但等效应力在允许范围内，未引起应力集中及局部过大变形。

图3 应力云图

图4 变形云图

2.2 摩擦生热分析

关节轴承在工作中内外圈相对转动会产生摩擦热，摩擦热是评价摩擦因数的一个重要指标。摩擦因数不同，温升不同。温升越大，摩擦磨损越严重。假设轴承内圈相对外圈以600 r/min转速运动，减摩处理和未减摩处理的轴承温度变化曲线如图5所示，新设计轴承在旋转时摩擦生热有效降低4.35%。

由图5可知，未进行减摩处理的轴承在1 s内温升接近14 ℃，而进行减摩处理的轴承在1 s内温升仅2 ℃左右，说明摩擦因数越大，磨损越严重，且进行减摩设计的轴承减摩效果明显。

图5 轴承温度变化曲线

2.3 疲劳寿命分析

核用关节轴承在长期使用过程中不允许替换，关节轴承使用寿命影响核主泵、汽轮机等工作状态和寿命。为保证关节轴承能够在规定时间内进行工作,基于轴承材料S-N疲劳寿命曲线和疲劳极限概念对关节轴承进行寿命预测分析。根据疲劳极限理论[14]，一个循环对轴承造成的损伤为

D=1/N，

(1)

式中：N为疲劳寿命。

当最大应力作为唯一输入条件(等变幅)时，第n个循环造成的疲劳损伤为

D=n/N，

(2)

当最大应力和最小应力同时输入作为交变载荷(变幅载荷)时，n个循环造成的疲劳损伤为

(3)

式中：Ni为第i个循环的疲劳寿命。

当D<1 时，轴承未产生屈服变形；当D=1 时，轴承开始发生屈服变形；当D>1 时，轴承已经被破坏。进行减摩设计的轴承的疲劳寿命如图6所示。

图6 轴承疲劳寿命图

由图6a可知，减摩处理的轴承外圈最小疲劳循环次数为1.026 1×105，最大疲劳循环次数为10×106，为高周疲劳。由图6b可知，内圈最低疲劳循环次数为1×105,可视为高周疲劳。而核用轴承仅在核主泵启停阶段和热膨胀引起结构变形时进行转动，故进行改进设计的轴承能满足设计要求。

3 结束语

1)镶嵌石墨的核用关节轴承能有效降低轴承摩擦因数，其在旋转时摩擦生热有效降低4.35%。

2)几种仿真结果表明，核用关节轴承需要同时考虑摩擦热和结构影响进行耦合仿真。

3)镶嵌石墨的关节轴承虽然最大变形和最大等效应力都有所增大，但数值均在许用范围内。经过仿真计算其属于高周疲劳，能长期在规定的时间内工作，满足实际使用要求。