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關節軸承磨損失效物理建模與分析方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510648632.3

申請日:

2015.10.09

公開號:

CN105205276A

公開日:

2015.12.30

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有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20151009|||公開
IPC分類號: G06F17/50 主分類號: G06F17/50
申請人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
發明人: 方鑫; 汪亞順; 譚源源; 張書鋒; 張春華; 陳循
地址: 410073 湖南省長沙市開福區德雅路109號
優先權:
專利代理機構: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429 代理人: 胡偉華
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510648632.3

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.03.30|||2016.01.27|||2015.12.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明屬于機械工程技術領域,公開了一種關節軸承磨損失效物理建模與分析方法,包括:建立關節軸承失效物理模型、獲取關節軸承結構和動態磨損數據、動態磨損過程拐點辨識、磨損階段磨損常數辨識以及非線性磨損過程失效物理描述。本發明首次提出了融合關節軸承的磨損特性參數、結構參數、材料參數和載荷工況參數的磨損模型,參數之間的物理關系明確,能夠十分準確地描述自潤滑關節軸承起始于微小間隙的磨損退化過程,并用于關節軸承的結構優化設計和磨損分析中。

權利要求書

權利要求書
1.  一種關節軸承磨損失效物理建模與分析方法,其特征在于,包括以下幾個步驟:
步驟1、確定材料磨損模型
將強度作為衡量自潤滑襯墊層耐磨損性能的量,所以關節軸承滑動磨損的磨損體積公式為
V=ksFNσsx---(1)]]>
其中,V為磨損量,FN為法向載荷,x為滑動距離,σs為接觸摩擦副中較軟材料的受壓屈服極限,ks稱為磨損常數;
實際使用中將關節軸承內外球面間的最大允許間隙作為其磨損失效閾值;關節軸承的結構間隙s定義為內外球面間的間隙;初始間隙u0為產品出廠時的內外球面間隙;結構間隙為初始間隙與磨損深度u的疊加,s=u0+u;在關節軸承接觸壓力計算公式(8)和(9)中,R1為內球面半徑,R2為外球面半徑;在關節軸承磨損分析中,R1和R2為相對值,在磨損的過程中認為R2=R=dk/2為恒定值,而R1隨著磨損深度而變化;其中,dk為關節軸承協調接觸表面的直徑;即有
R1=R-(u0+u)/2(2)
ΔR=s/2=(u0+u)/2(3)
由于磨損量與載荷成正比,所以最大磨損量取決于接觸載荷最大的點;關節軸承中的接觸應力最大點p0處于接觸區域的中心點O,接觸壓力隨著磨損深度變化而變化;在接觸區域的中心,取一個微元區,其面積為Aa;設微元區為平面,且微元區上的接觸壓力均勻,都是p0,所以,
FN=p0Aa,V=uAa(4)
由式(1)可得用磨損深度表示的Archard磨損模型為
u=ksp0(u)σsx---(5)]]>
其中,p0(u)為當磨損深度為u時的最大關節軸承接觸壓力;
步驟2、確定關節軸承接觸壓力計算方法
關節軸承接觸壓力計算方法如下,
(1)當0<a<h時,關節軸承中的接觸壓力分布采用完整球面協調接觸的模型計算,即
p0=(n+1)Fπa2(a)a=[4BR1R2Fπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(b)---(6)]]>
(2)當h<a≤R2時,其求解方法為
Q=∫har·(1-r2/a2)n·arccoshr·dr(c)F0=4(n+1)·Q·Fπa2-4(n+1)·Q,Ft=F+F0(d)p0=(n+1)Ftπa2(e)a=[4BR1R2Ftπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(f)---(7)]]>
對于以上兩式,都有
n=0.5-0.24exp[-15.08(1-a/R2)](g)B=πΓ(n+1)2Γ(3/2+n),c=3.8304BtFπ2E*R2(h)g(a)=2/π+(a/R2)2(j)---(8)]]>
其中:r為球面上的點到接觸區域中心的投影距離;a為接觸區域的投影半徑;h為關節軸承半寬;p0為最大關節軸承接觸壓力;F為關節軸承承受的外部施加載荷;n為壓力分布指數;F0為等效附加載荷;Γ為gamma函數;B,c為中間參數,用公式(8h)定義;E*為等效彈性模量,設其中,E1,E2分別為關節軸承內圈與外圈材料的彈性模量,μ1,μ2為相應的泊松比;
步驟3、推導動態磨損量表達式與數值求解方法
一個微小的相對滑動距離dx內,其最大關節軸承接觸壓力可認為是恒定的,那么
du=ksp0σs·dx---(9)]]>
其中du為滑動距離dx內磨損量的增量;
對于關節軸承,其工作過程中的運動方式一般為擺動,設擺動角度為±α,擺動頻率為fs;所以,在時間dt內,關節軸承內外環之間的相對滑動距離為
dx=2R·α(t)·fs(t)·dt(10)
在實際使用中,擺動角度α(t),擺動頻率fs(t)可能隨著任務的不同而產生變化,故而其是工作時間的函數;故
du=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)·dt---(11)]]>
時間磨損率w為單位時間內的磨損深度,即
w=dudt=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)---(12)]]>
由于關節軸承的一個擺動周期時間短,磨損增量非常微小,在理論建模過程中認為單個擺動周期內的最大接觸壓力保持恒定;由于最大關節軸承接觸壓力是磨損量的函數,而磨損量為時間的函數,故而最大關節軸承接觸壓力也是時間的函數,那么從時間t0到tT內的累計 磨損量為
u=2Rksσs∫t0tTp0(u(t))·α(t)·fs(t)·dt---(13)]]>
如果關節軸承的擺動角度和運動頻率都是恒定值,那么在時間t0到tT內的累計磨損量為
u=2Rαfsksσs∫t0tTp0(u(t))·dt---(14)]]>
式(14)成立的前提條件是磨損常數ks在時間段t0到tT內保持不變;如果摩擦副的磨損常數不是恒定不變的量,則時間t0到tT內的累計磨損量為
u=2Rαfs1σs∫t0tTks(u(t))·p0(u(t))·dt---(15)]]>
當u=um時,認為壽命終結,對應的工作時間即為關節軸承的壽命T;
從公式(6)和(7)可知,由于關節軸承協調接觸模型確定的關節軸承最大接觸壓力并不是間隙s的顯示表達式,故式(15)的積分求解需要利用數值方法迭代求解;迭代的方程為
ui+1-ui=2Rσsks(ui)·p0(ui)·αi·fs,i·(ti+1-ti),i=0,1,2...---(16)]]>
當擺動角度和運動頻率都是恒定值時,迭代求解的方程為
ui+1-ui=2Rαfs1σsks(ui)·p0(ui)(ti+1-ti),i=0,1,2...---(17)]]>
當磨損常數在區間u∈(ux,uy]內保持不變,那么迭代方程為
ui+1-ui=2Rαfsksσs·p0(ui)(ti+1-ti),ui∈(ux,uy],i=0,1,2...]]>
ΔRi=(u0+ui)/2,t0=0(18)
u0為關節軸承初始間隙;
步驟4、選取關節軸承樣本,在關節軸承試驗臺架上開展關節軸承磨損壽命試驗,獲取關節軸承結構和動態磨損數據,得到間隙隨磨損時間的關系并繪制動態磨損曲線;
步驟5,非線性磨損過程的拐點辨識;
應用多項式逼近法尋找動態磨損曲線的拐點,利用n次高階多項式函數逼近動態磨損曲線;若動態磨損曲線波動過大,可采用分段擬合的方法;磨損曲線拐點的判定準則是:動態磨損曲線上某點的曲率Kρ在轉換區域中取得極大值;
Kρ=|f(t)|[1+f(t)2]3/2---(19)]]>
其中,f′(t)為擬合多項式的一階導數,也是該磨損曲線的動態磨損率;f″(t)為多項式的二階導數值;
步驟6,磨損階段磨損常數辨識;
基于非線性磨損過程的拐點辨識的結果,磨損常數的求解方法為分階段逼近,求得使動態磨損曲線與失效物理模型得到理論曲線之間的誤差平方和SSE取最小的ks;
SSE=Σi=1N(uPoF[i]-uTest[i])2---(20)]]>
其中N為動態磨損數字采樣點數,uPoF[i]為失效物理模型計算結果,uTest[i]為試驗測試結果;
步驟7,動態磨損過程關節軸承磨損失效物理模型;
認為每個磨損階段內的磨損常數保持恒定,分別定義磨合磨損常數、穩定磨損常數和急劇磨損常數為ks,I,ks,II,ks,III;則動態磨損過程用失效物理模型為
u=2Rαfs1σs{ks,I·∫0tIp0(u(t))·dt+ks,II·∫tItIIp0(u(t))·dt+ks,III·∫tIITp0(u(t))·dt}---(21)]]>
其中,tI,為磨合磨損階段轉化為穩定磨損階段的時間點,等效為磨損量達到穩定磨損階段的臨界工作時間;tII為穩定磨損階段進入急劇磨損階段的時間點,等效為磨損量達到急劇磨損階段的臨界工作時間;p0(u(t))采用公式(6)和(7)計算;T為關節軸承壽命。

說明書

說明書關節軸承磨損失效物理建模與分析方法
技術領域
本發明涉及基于失效物理的關節軸承非線性磨損建模與分析方法,屬于機械工程技術領域。
背景技術
關節軸承是一種特殊結構的滑動軸承,其結構簡單,主要由一個有外球面的內圈和一個有內球面的外圈組成,自潤滑關節軸承有襯墊。自潤滑關節軸承運動時,襯墊層與內圈或外圈相對滑動而產生摩擦,其摩擦系數較小,工作時無需補充潤滑劑,因而成為高端關節軸承的首選結構和潤滑方案,廣泛應用于航空、核電、艦船等裝備的操縱與傳動系統中。關節軸承的主要失效模式為磨損,其磨損分析方法對自潤滑關節軸承結構設計和壽命預測具有至關重要的作用。
磨損是一個非線性過程,如圖1所示,可分為三個階段:磨合磨損階段(I),穩定磨損階段(II),急劇磨損階段(III)。在磨合磨損階段,磨損率隨時間增加而逐漸降低;在穩定磨損階段,摩擦表面經磨合以后達到穩定運行狀態,磨損率基本不變,這是摩擦副的正常工作時期,也是決定摩擦副磨損壽命的最關鍵的時期;急劇磨損階段,磨損率隨時間迅速增加,使摩擦副工作條件急劇惡化,直至零件完全失效。關節軸承聚四氟乙烯(PTFE)織物襯墊的磨損過程也存在三個磨損階段。
失效物理方法已經成功應用在機械、民用產品和航空航天結構中。
發明內容
針對關節軸承結構設計和磨損分析的需要,本發明提出一種關節軸承磨損失效物理建模與分析方法,是一種關節軸承非線性磨損過程的失效物理建模與關節軸承非線性磨損過程的分析方法,其中,磨損的分析方法融入建模的過程之中,關節軸承的失效物理模型即為磨損分析的核心算法。
本發明的技術方案是:
一種關節軸承磨損失效物理建模與分析方法,其特征在于,包括以下步驟:
步驟1:確定材料磨損模型
在自潤滑關節軸承中,內環為鋼材料,減磨的自潤滑襯墊層為高分子復合材料,磨損主要發生在襯墊層上。關節軸承的壽命取決于自潤滑襯墊層的磨損壽命。
磨粒磨損的Archard磨損公式為
V=ksFNHx---(1)]]>
黏著磨損的Archard磨損公式為
V=ksFN3σsx---(2)]]>
其中,V為磨損量,FN為法向載荷,x為滑動距離,H為摩擦副中較軟材料的硬度,σs為接觸摩擦副中較軟材料的受壓屈服極限(對于自潤滑關節軸承,較軟材料為自潤滑襯墊層),ks稱為磨損常數。磨損常數取決于粗糙表面接觸條件,如材料和潤滑,分為磨粒磨損常數和黏著磨損常數。Archard滑動磨損計算方法認為磨損量與法向載荷和滑動距離成正比,與較軟 材料硬度(或受壓屈服極限)成反比。在自潤滑關節軸承中,較軟材料為自潤滑襯墊層。
由式(1)、(2)可知,磨粒磨損與黏著磨損的Archard公式具有相同的表達形式。自潤滑關節軸承襯墊的磨損同時存在磨粒磨損和黏著磨損過程,在磨損計算時難以將二者分開。
在步驟一中,本發明將強度作為衡量自潤滑襯墊層耐磨損性能的量,所以自潤滑關節軸承磨損公式為
V=ksFNσsx---(3)]]>
實際使用中將關節軸承內外球面間的最大允許間隙作為其磨損失效閾值。關節軸承的結構間隙s定義為內外球面間的間隙;初始間隙u0為產品出廠時的內外球面間隙。結構間隙為初始間隙與磨損深度u的疊加,s=u0+u。接觸分為非協調接觸與協調接觸,當接觸面的尺寸相對于接觸物體的尺寸不可忽略時定義為協調接觸,關節軸承是典型的球面協調接觸情形,其關節軸承接觸壓力采用公式(8)和(9)計算。在關節軸承接觸壓力計算公式(8)和(9)中,R1為內球面半徑,R2為外球面半徑。在關節軸承磨損分析中,R1和R2為相對值,在磨損的過程中認為R2=R=dk/2為恒定值,而R1隨著磨損深度而變化;其中,dk為關節軸承協調接觸表面的直徑。即有
R1=R-(u0+u)/2(4)
ΔR=s/2=(u0+u)/2(5)
由于磨損量與載荷成正比,所以最大磨損量取決于接觸載荷最大的點。關節軸承中的接觸應力最大點p0處于接觸區域的中心點O,接觸壓力隨著磨損深度的變化而變化。在接觸區域的中心,取一個微元區,其面積為Aa。設這個微元區為平面,且微元區上的接觸壓力均勻,都是p0,所以,
FN=p0Aa,V=uAa(6)
由式(3)可得用磨損深度表示的Archard磨損模型為
u=ksp0(u)σsx---(7)]]>
其中,p0(u)為當磨損深度為u時的最大關節軸承接觸壓力,關節軸承接觸壓力的計算方法如步驟2所示。
步驟2:確定關節軸承接觸壓力計算方法
關節軸承接觸壓力計算方法如下,
(1)當0<a<h時,關節軸承中的接觸壓力分布采用完整球面協調接觸的模型計算,即
p0=(n+1)Fπa2(a)a=[4BR1R2Fπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(b)---(8)]]>
(2)當h<a≤R2時,其求解方法為
Q=∫har·(1-r2/a2)n·arccoshr·dr(c)F0=4(n+1)·Q·Fπa2-4(n+1)·Q,Ft=F+F0(d)p0=(n+1)Ftπa2(e)a=[4BR1R2tFπ2E*(gΔR+c)(n+1/2)(n+1)]1/3(f)---(9)]]>
對于以上兩式,都有
n=0.5-0.24exp[-15.08(1-a/R2)](g)B=πΓ(n+1)2Γ(3/2+n),c=3.8304BFtπ2E*R2(h)g(a)=2/π+(a/R2)2(j)---(10)]]>
其中:r為球面上的點到接觸區域中心的投影距離;a為接觸區域的投影半徑;h為關節軸承半寬;p0為最大關節軸承接觸壓力;F為關節軸承承受的外部施加載荷;n為壓力分布指數;F0為等效附加載荷;Γ為gamma函數;B,c為中間參數,用公式(10h)定義。E*為等效彈性模量,設其中,E1,E2分別為關節軸承內圈與外圈材料的彈性模量,μ1,μ2為相應的泊松比。
步驟3:確定動態磨損量表達式和數值求解過程
采用關節軸承接觸壓力計算公式(8)和(9)可計算出每個磨損深度u對應的p0(u)值。如果最大接觸壓力p0恒定,那么磨損深度與接觸壓力成正比關系。但是在關節軸承的壽命周期中,磨損量逐漸增大會導致最大接觸壓力逐漸增大。但在一個微小的相對滑動距離dx內,其最大接觸壓力可認為是恒定的,那么
du=ksp0σs·dx---(11)]]>
du為滑動距離dx內磨損量的增量。
對于關節軸承,其工作過程中的運動方式一般為擺動,設擺動角度為±α,擺動頻率為fs。所以,在時間dt內,關節軸承內外環之間的相對滑動距離為
dx=2R·α(t)·fs(t)·dt(12)
在實際使用中,擺動角度α(t),擺動頻率fs(t)可能隨著任務的不同而產生變化,故而它們是工作時間的函數。故
du=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)·dt---(13)]]>
時間磨損率w為單位時間內的磨損深度,即
w=dudt=2Rksσsp0(u)·α(t)·fs(t)---(14)]]>
從磨損率表達式(14)可知:在其他因素不變的情況下,磨損率與擺動角度和擺動頻率成正比;如果磨損常數、擺動頻率和擺動角度都為定值,且摩擦副表面狀態不變,磨損率并不會保持常數,而是隨磨損深度的增加而增加。公式(14)也反映出磨損率與磨損常數理論上成正比,在相同的工況下,如果磨損過程中磨損常數發生變化,則磨損率也成比例發生變化。
由公式(14)得到的時間磨損率反映的并不是自潤滑襯墊材料的磨損率,而是自潤滑關節軸承的磨損率,其與關節軸承的結構參數R有關。而磨損常數只與材料和摩擦副表面接觸特性有關,所以關節軸承的磨損常數ks是比磨損率w更基本的磨損特征量。同種襯墊的自潤滑關節軸承,磨損常數遵循相同的物理規律。
由于關節軸承的一個擺動周期時間短,磨損增量非常微小,在理論建模過程中認為單個擺動周期內的最大接觸壓力保持恒定。由于最大關節軸承接觸壓力是磨損量的函數,而磨損量為時間的函數,故而最大關節軸承接觸壓力也是時間的函數,那么從時間t0到tT內的累計磨損量為
u=2Rksσs∫t0tTp0(u(t))·α(t)·fs(t)·dt---(15)]]>
如果關節軸承的擺動角度和運動頻率都是恒定值,那么在時間t0到tT內的累計磨損量為
u=2Rαfsksσs∫t0tTp0(u(t))·dt---(16)]]>
式(16)成立的前提條件是磨損常數ks在時間段t0到tT內保持不變。如果摩擦副的磨損常數不是恒定不變的量,則時間t0到tT內的累計磨損量為
u=2Rαfs1σs∫t0tTks(t)·p0(u(t))·dt---(17)]]>
磨損常數是摩擦副的本質屬性,與材料特性和摩擦副的接觸狀況有關。如果磨損常數不恒定,就其本質而言,磨損常數將隨著磨損深度而變化。即磨損常數是磨損量的函數。所以,上式變為
u=2Rαfs1σs∫t0tTks(u(t))·p0(u(t))·dt---(18)]]>
當u=um時,認為壽命終結,對應的工作時間即為關節軸承的壽命T。
從公式(8)和(9)可知,由于關節軸承協調接觸模型確定的關節軸承最大接觸壓力并不是間隙s的顯示表達式,故式(18)的積分求解需要利用數值方法迭代求解。迭代的方程為
ui+1-ui=2Rσsks(ui)·p0(ui)·αi·fs,i·(ti+1-ti),i=0,1,2...(19)]]>
當擺動角度和運動頻率都是恒定值時,迭代求解的方程為
ui+1-ui=2Rαfs1σsks(ui)·p0(ui)(ti+1-ti),i=0,1,2...(20)]]>
當磨損常數在區間u∈(ux,uy]內保持不變,那么迭代方程為
ui+1-ui=2Rαfsksσs·p0(ui)(ti+1-ti),ui∈(ux,uy],i=0,1,2...]]>
ΔRi=(u0+ui)/2,t0=0(21)
u0為關節軸承初始間隙,通過測量得到。
步驟4:選取關節軸承樣本,在關節軸承試驗臺架上開展關節軸承磨損壽命試驗,獲取關節軸承結構和動態磨損數據,得到間隙隨磨損時間的關系并繪制動態磨損曲線。
該步驟實際就是數據采樣的過程,其步驟方法是工程實踐中眾所周知的方法。具體的操作方法是:選取關節軸承樣本,在關節軸承試驗臺架上開展關節軸承磨損壽命試驗,試驗在恒溫條件下開展,溫度波動范圍為5%,安裝溫度傳感器進行溫度跟蹤。試驗過程中應用精密位移傳感器采集關節軸承內外圈間隙變化的動態磨損數據,采用等時間間隔采樣,間隔為1-3分鐘。臺架的參數根據相關廠家的產品確定。試驗可根據特定需求采用恒定載荷試驗和變載荷試驗。當采用變載荷試驗時,需要明確施加變化載荷的時間點,應用步驟2中的方法計算不同載荷下的接觸壓力。全壽命試驗的截止條件為最大累計磨損深度小于關節軸承允許的極限磨損深度。記錄間隙變化隨磨損時間的關系并畫圖,即得到動態磨損曲線。
步驟5:動態磨損過程拐點辨識。
在實際測試中,由于系統誤差和隨機誤差的存在,摩擦副的動態磨損曲線不可能光滑,且可能存在較大波動,此時準確辨識離散曲線的臨界“拐點”成為磨損分析的難點之一。本發明應用多項式逼近法尋找動態磨損曲線的拐點,利用n次高階多項式函數y=f(t)=p1tn+p2tn-1+…pnt+pn+1逼近動態磨損曲線,其中p1…pn+1多項式系數。若動態磨損曲線波動過大,可采用分段擬合的方法。磨損曲線拐點的判定準則是:動態磨損曲線上某點的曲率Kρ在轉換區域中取得極大值。
Kρ=|f(t)|[1+f(t)2]3/2---(22)]]>
其中,f′(t)為擬合多項式的一階導數,也是該磨損曲線的動態磨損率;f″(t)為多項式的二階導數值。
步驟6:磨損階段磨損常數辨識。
當其他條件不變時,自潤滑關節軸承壽命周期內磨損率出現階段性波動是由磨損常數變化和接觸壓力增大耦合作用的結果。由于決定磨損常數的本質原因是材料特性和摩擦副接觸特性,所以可認為每個磨損階段內的磨損常數保持恒定。
在磨損失效物理方法中,關節軸承自潤滑襯墊的磨損常數ks需要通過磨損試驗確定其變化規律。通過關節軸承的磨損曲線可計算出動態磨損過程的磨合磨損常數、穩定磨損常數和急劇磨損常數。由于試驗測量的磨損過程存在隨機誤差,所以磨損曲線存在較大波動。基于拐點辨識的結果,磨損常數的求解方法為分階段逼近,求得使試驗動態磨損曲線與失效物理模型得到理論曲線之間的誤差平方和SSE取最小的ks。
SSE=Σi=1N(uPoF[i]-uTest[i])2---(23)]]>
其中N為動態磨損數字采樣點數,uPoF[i]為失效物理模型計算結果,uTest[i]為試驗測試結果。
這里,本發明磨損常數辨識采用的最小誤差平方和方法也是數學上的一種通用方法。
步驟7:非線性磨損過程失效物理描述。
在步驟6中認為每個磨損階段內的磨損常數保持恒定,在此基礎上,分別定義磨合磨損常數、穩定磨損常數和急劇磨損常數為ks,I,ks,II,ks,III。則動態磨損過程用失效物理方程描述為
u=2Rαfs1σs{ks,I·∫0tIp0(u(t))·dt+ks,II.∫tItIIp0(u(t))·dt+ks,III·∫tIITp0(u(t))·dt}---(24)]]>
其中,tI,為磨合磨損階段轉化為穩定磨損階段的時間點,等效為磨損量達到穩定磨損階段的臨界工作時間;tII為穩定磨損階段進入急劇磨損階段的時間點,等效為磨損量達到急劇磨損階段的臨界工作時間。T為關節軸承壽命。
由于關節軸承產品的一致性不同,每個產品的磨損過程都呈現一定的差異,對于某些關節軸承,急劇磨損階段不明顯或不會出現,此時公式(24)中無第三項。
與現有數據驅動的關節軸承磨損過程分析方法相比,本方法具有以下顯著優點:
(1)本發明提出了融合關節軸承的磨損特性參數、結構參數、材料參數和載荷工況參數的失效物理模型,參數之間的物理關系明確,能夠用于關節軸承的結構優化設計和磨損分析中。相關研究填補了相關研究領域的空白。
(2)本發明建立的失效物理模型能十分準確地描述自潤滑關節軸承起始于微小間隙的磨損退化過程,得到磨損的連續動態變化,提高了磨損分析的準確性。
(3)本發明提出的磨損階段拐點辨識算法考慮了磨損過程的特征,符合工程實際,使拐點的辨識大大減少了主管因素的影響,更加客觀準確。
本發明提出關節軸承滑動磨損的失效物理模型,應用基于失效物理模型的動態磨損過程分段分析法描述自潤滑關節軸承的非線性磨損退化過程。本方法融合了關節軸承磨損特性、結構參數、材料參數和承載工況參數,能夠非常準確地描述其磨損過程,并為關節軸承的設計分析提供支撐。
附圖說明
圖1典型磨損過程示意圖
圖2具體實施例的流程圖
圖3自潤滑關節軸承動態磨損曲線的拐點辨識
圖3a和3b分別為兩個試驗樣本(M11和M14)的動態磨損曲線的高階多項式逼近和曲率曲線,其中波動的折線為試驗測得的動態磨損曲線,平滑實線為高階多項式逼近的動態磨損曲線,虛線為高階多項式的曲率。由圖可知,應用步驟5中拐點辨識方法能準確辨識出磨損曲線存在的兩個拐點,這兩個拐點將磨損過程分為三個階段。
圖4自潤滑關節軸承磨損過程的失效物理描述
圖4a和4b給出了利用失效物理模型公式(24),采用步驟1至步驟6的結果,分析載荷24kN的作用下五個樣本的動態磨損過程,其中,圖4a為樣本M11、M12、M13,圖4b為樣本M14、M15。
具體實施方式
下面結合自潤滑關節軸承恒定載荷磨損試驗數據,按照圖2所示流程說明本發明一種關節軸承磨損失效物理建模與分析方法的具體實施方式。
步驟1:建立自潤滑關節軸承失效物理模型。
關節軸承磨損失效物理模型的建立過程如發明內容中步驟1-步驟7所示,最終得到的失效物理方程表達式為公式(24)。
步驟2:獲取關節軸承結構和動態磨損數據。
本發明專利的實施方式中選擇的關節軸承案例為兩面帶密封圈的PTFE襯墊單縫外環自 潤滑向心關節軸承,型號為GE20ET-2RS。此型號關節軸承的相關參數如表1所示。
表1試驗軸承GE20ET-2RS參數表

試驗采用的恒定應力載荷為24kN,磨損失效閾值為0.3mm,試驗參數與試驗結果如表2所示。5個樣本的試驗編號分別為M11-M15,試驗樣本擺動頻率為32.7次/min,擺動振幅為在平衡位置±18.3°
表2關節軸承加速試驗參數與試驗結果

在關節軸承加速磨損試驗中,通過位移傳感器實時采樣測量并記錄關節軸承的間隙變化。由于在載荷的作用下試驗機械系統會產生變形,且不同載荷下的變形量不同,所以要對動態磨損曲線進行歸零處理,消除由載荷產生的變形帶來的系統誤差。消除此項誤差的方法是將每個樣本磨損試驗初始10min內所測得的位移量的平均值作為磨損量的起始點。
本發明開展的關節軸承磨損試驗的襯墊材料為PTFE芳綸織物,通過粘接工藝成型后的襯墊力學性能得到較大強化。本發明采用425MPa作為PTFE芳綸織物襯墊的壓縮屈服強度估計值進行磨損計算。
步驟3:動態磨損過程拐點辨識。
采用拐點辨識算法辨識磨損曲線的拐點。圖3為樣本M11和M14的動態磨損曲線的高階多項式逼近和曲率曲線,其中波動的折線為試驗測得的動態磨損曲線,平滑實線為高階多項式逼近的動態磨損曲線,虛線為高階多項式的曲率。由圖可知,應用公式(22)所確定的方法能準確辨識出磨損曲線存在的兩個拐點,這兩個拐點將磨損過程分為三個階段:磨合磨損、穩定磨損和急劇磨損。需要指明的是,拐點的判定還需結合動態磨損曲線的形狀而確定,在某些時刻,雖然曲線的曲率在某時刻局部取得極大值,但該點并不是拐點。只有當曲率在某時刻取極大值,且動態磨損曲線上同時出現相對明顯的彎曲變化時,此點才是磨損階段轉換的臨界拐點。
應用多項式擬合的方法可從圖中準確地判定曲率極大值點所在的時刻,如圖中橢圓圈所示,該時刻也是對應的動態磨損曲線的拐點所在位置,如箭頭所示。相對其它拐點辨識方法,多項式擬合的方法不受磨損采樣分辨率的限制,判定的拐點客觀準確。
采用拐點辨識得到的各樣本的拐點坐標如表3所示。
步驟4:磨損階段磨損常數辨識。
采用磨損常數辨識算法,得到動態磨損曲線的磨合磨損常數、穩定磨損常數和急劇磨損常數如表3所示。
表3樣本動態磨損過程拐點辨識與磨損常數計算結果


表中,“×”代表該樣本未出現拐點2,未出現拐點2并不是由于試驗時間過短所致的,而是樣本的特殊性導致急劇磨損階段與穩定磨損階段重合,此時,認為急劇常數與穩定磨損常數相等。
步驟5:非線性磨損過程失效物理描述
利用失效物理模型公式(24),采用前面步驟所提供的數據,分析24kN下關節軸承GE20ET-2RS的動態磨損過程如圖4所示。

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