一种轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法

摘要

一种轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法，首先安装好包括连接螺栓、轴承盖和轴承座在内的试验装置，对连接螺栓加载进行试验，测量并记录加载的螺栓泵压及与其相应的轴承盖两侧张开量的相关数据，获取试验结果中螺栓泵压与张开量之间的对应关系；然后采用有限元方法对连接螺栓加载的过程进行不同摩擦系数预设值下的仿真模拟计算，获取仿真结果中各摩擦系数预设值下螺栓泵压与相应的轴承盖两侧张开量之间的对应关系；根据试验结果和仿真结果作出轴承盖两侧张开量与螺栓泵压关系的散点图；最后对比仿真结果与试验结果，由最接近的数据中确定所述轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数。本发明能够得到更符合实际结构的轴承盖与轴承座接触面摩擦系数，为整机的强度校核提供更精确的边界条件，缩短了研发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及船用柴油发动机的结构，具体涉及一种轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法，属于船用发动机技术领域。

背景技术

船用发动机的结构设计完成后需要校核整机的强度，目前多采用有限元技术对整机进行结构强度和疲劳寿命的分析，其中需要对划分好的各部件的有限元网格模型定义相互约束关系，包括非线性接触、耦合约束和绑定约束等。而对于其中的非线性接触面需要定义相应的接触属性，包括接触面的摩擦系数等参数。各部件之间相互约束关系设置完成后，根据动力学计算结果在模型中施加相应的载荷，包括重力、面压力和集中力等，然后进行结构强度以及疲劳寿命的计算，完成计算后分别对计算结果进行评价和分析。

目前在船用发动机结构的有限元分析中，各零件之间接触面的摩擦系数主要还是根据经验进行设置，其中也包含主轴承盖与轴承座的接触面摩擦系数。然而产品实际装配中，影响接触面摩擦系数的因数很多，如零件表面的光洁度、使用润滑油的种类等。接触面摩擦系数的设置对于有限元计算结果中接触面的滑移以及接触开口结果的影响很大，同时也可能影响到局部结构强度和疲劳强度的计算结果，因此仅根据经验来对不同零部件之间的接触副设置摩擦系数的方法是不合理的，实际上应该根据零件不同的实际情况确定不同零部件之间接触副的摩擦系数。目前，对于船用柴油发动机结构中主轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的确定方法未见报道。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法，通过实验与有限元分析相结合，能够准确地确定出轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数，为船用柴油发动机整机的结构强度和疲劳强度校核提供精确的边界条件，从而缩短产品研发周期。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法，其特征在于，首先安装好包括连接螺栓、轴承盖和轴承座在内的试验装置，对所述连接螺栓加载进行试验，测量并记录加载的螺栓泵压及与其相应的轴承盖两侧张开量的相关数据，获取试验结果中所述螺栓泵压与张开量之间的对应关系；然后采用有限元方法对所述连接螺栓加载的过程进行不同摩擦系数预设值下的仿真模拟计算，获取仿真结果中各摩擦系数预设值下所述螺栓泵压与相应的轴承盖两侧张开量之间的对应关系；根据所述试验结果和仿真结果作出轴承盖两侧张开量与螺栓泵压关系的散点图；最后对比仿真结果与试验结果，由最接近的数据中确定所述轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数。

进一步地，所述的试验确定法包括如下具体步骤：

步骤一，进行试验装置的安装，

所述试验装置包括连接螺栓、轴承盖、轴承座、液压拉伸器和百分表，其中，轴承盖通过两侧的连接螺栓固定在轴承座上，两液压拉伸器分别连接于两连接螺栓的上端；

步骤二，进行加载试验，测量并记录不同螺栓泵压下的轴承盖的张开量，

在所述轴承盖的两侧与轴承座接触面接近处分别设定测量点，采用所述液压拉伸器对两连接螺栓进行分级加载，每达到一级螺栓泵压后，通过所述百分表分别测量和记录所述轴承盖在两侧的测量点处的张开量，最终获取试验结果中所述螺栓泵压与张开量之间的对应关系；

步骤三，建立主轴承盖安装组件的有限元模型并在不同的摩擦系数的预设值下求解，

根据试验装置条件建立有限元模型，对所述轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数设置一系列不同的预设值，分别计算在各摩擦系数预设值的不同螺栓泵压下，轴承盖在两侧测量点处的张开量；

步骤四，获取不同摩擦系数预设值的仿真结果中轴承盖两侧的张开量与螺栓泵压的对应关系；

步骤五，根据试验结果和仿真结果作出轴承盖的平均单侧张开量与螺栓泵压的关系的散点图，

分别计算试验结果和仿真计算结果中轴承盖在测量点处的平均单侧张开量，并作出该平均单侧张开量与螺栓泵压之间关系的散点图；

步骤六，对比试验结果和仿真结果，确定出轴承盖与轴承座接触面摩擦系数，

根据步骤五所作散点图对比试验结果和仿真结果，将两者中最接近的一组数据所对应的摩擦系数预设值确定为轴承盖与轴承座接触面摩擦系数。

与现有技术比较，本发明(1)通过采用实验与有限元分析相结合的方法，将结果进行相互验证和补充，能够更准确地确定轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数，使得到的摩擦系数更符合船用发动机的实际结构情况；(2)为整机的结构强度和疲劳强度校核提供更精确的边界条件，缩短了研发周期。本发明特别适用于船用柴油发动机中采用倾斜的端盖螺栓结构的主轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的确定。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的试验装置安装布置示意图。

图3是实施例中试验结果和仿真结果的平均单侧张开量与螺栓泵压的关系的散点图。

图中，1为连接螺栓，2为轴承盖，3为轴承座，4为液压拉伸器，5为百分表，A为左测量点，B为右测量点。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明所述轴承盖与轴承座接触面摩擦系数的试验确定法作进一步详细阐述，但不能以此限制本发明的保护范围。

实施例

采用试验与有限元技术相结合的方法对某船用低速柴油机主轴承盖与轴承座接触面摩擦系数进行确定。

首先，加工出轴承盖、轴承座等相关组件并进行主轴承盖与轴承座的安装，对安装好的轴承盖与轴承座进行试验，记录加载的螺栓泵压及其相应的轴承盖两侧张开量的相关数据，提取试验中泵压与张开量之间的对应关系；然后采用有限元方法，对安装的轴承盖与轴承座加载的过程进行不同摩擦系数下的仿真模拟，提取仿真结果中主轴承盖两侧张开量与螺栓加载载荷之间的关系；作出试验和仿真结果中主轴承盖两侧张开量与螺栓载荷关系的散点图；最后，对比仿真计算结果与试验结果，由最接近的数据中确定出轴承盖与轴承座接触面的摩擦系数。

具体过程按照以下步骤来进行：

步骤1：进行试验装置的安装

请参阅图2轴承盖与轴承座的安装示意图，试验装置主要包含轴承端盖的连接螺栓1、轴承盖2、轴承座3、液压拉伸器4和百分表5，轴承盖2通过两个倾斜的连接螺栓1固定在轴承座3上，轴承座3与轴承盖2的接触面处于水平位置。两液压拉伸器4分别连接于两侧连接螺栓1的上端，两侧液压拉伸器4的液压油通过同一个高压油管分流进入，保证了在连接螺栓1泵紧的过程中，两侧连接螺栓1的预紧力载荷相同。图中A和B为试验中采用百分表5提取加载后轴承盖2张口量的左、右测量点的位置。本实施例中，滑动轴承轴孔配合的基本尺寸为440mm。

步骤2：进行加载试验，测量并记录不同螺栓泵压下的轴承盖2的张开量

采用液压拉伸器4对两个倾斜的连接螺栓1进行泵紧，试验中采用分级逐步泵紧，每一步泵紧达到一级泵压后，通过百分表5分别测量和记录轴承盖2在两侧的左测量点A和右测量点B处的张开量△X₁和△X₂。试验过程中记录的测量数据见下表1。由表1中看出，轴承盖2在右测量点B处未发生移动，△X₂均为0，左测量点A处的张开量△X₁随着螺栓泵压的增加不断增大。当螺栓泵压在90～690Bar范围内，左测量点A的张开量△X₁基本没发生变化。

表1轴承盖与轴承座在试验过程中张开量的测量结果

步骤3：建立主轴承盖安装组件的有限元模型并在不同的摩擦系数的预设值下求解

按照试验装置的条件，建立主轴承组件的有限元模型，有限元模型主要包括连接螺栓1、轴承盖2和轴承座3，其中连接螺栓1采用一阶六面体单元，单元类型为C3D8I，其余部件采用二阶四面体单元，单元类型为C3D10M。模型单元数约为31万，节点数约为59万。

有限元计算过程中，轴承座3底面采用固定约束，连接螺栓1连接处采用绑定约束，并且定义其余各零件之间的接触关系。连接螺栓1通过液压拉伸器4进行拉紧，连接螺栓1预紧力载荷通过公式F＝p*s计算得到，其中p为液压拉伸器4加载的螺栓泵压，s为液压拉伸器4的有效作用面积。本实施例中，s为5966mm²。

对轴承盖2与轴承座3的接触面的摩擦系数f设置一系列不同的预设值，分别计算在不同螺栓泵压下，主轴承盖组件的变形情况，即轴承盖2两侧的左测量点A和右测量点B处的张开量△X₁和△X₂。

步骤4：提取不同摩擦系数f预设值的仿真计算结果中轴承盖2两侧的张开量△X₁和△X₂与螺栓泵压的关系

下列表2为本实施例的仿真计算中，当摩擦系数f预设值为0.07的条件下，螺栓泵压分别为90、320、500、690、890、1100、1300、1500Bar时的轴承盖2的左测量点A和右测量点B处的张开量△X₁和△X₂的计算结果。由表2中可看出，张开量△X₁和△X₂左右对称，即左测量点A和右测量点B的张开量△X₁和△X₂基本相同。

表2轴承盖与轴承座在仿真过程中的计算结果(f＝0.07)

步骤5：根据试验结果和仿真结果作出轴承盖2的平均单侧张开量△X与螺栓泵压的关系的散点图

将试验结果和仿真计算结果进行处理，分别计算试验结果和仿真计算结果中轴承盖2在两侧测量点处的平均单侧张开量△X＝(△X₁+△X₂)/2，计算结果见表3，其中仿真计算结果中包含了一系列摩擦系数f不同预设值下的平均单侧张开量。根据表3作出散点图如图3。

表3试验结果与仿真计算结果的对比

步骤6：根据散点图对比试验结果和仿真结果，将最接近的一组数据所对应的摩擦系数f预设值确定为轴承盖与轴承座接触面摩擦系数

比较试验结果和仿真结果可以看出，试验结果中，螺栓泵压在90～690Bar时，轴承盖两侧的平均单侧张开量△X基本不变，因而在进行对比分析时，将该部分数据忽略；螺栓泵压在690～1500Bar的范围时，试验结果与摩擦系数f预设值在0.06和0.08之间(约为0.07)的仿真计算结果相接近，因此，设置轴承盖2与轴承座3接触面的摩擦系数为0.07，并据此进行结构强度校核和疲劳寿命计算。