CN108304641B - 一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法。该方法在考虑形貌、结构、散热因素情况下对高能容干式摩擦元件进行耐热性设计，保证元件具有一定耐热极限下，满足扭矩设计指标。本发明能够实现摩擦副微观与宏观的有机结合，创造性的将氧化过程用于耐热性能设计分析，相比于传统设计方法本方法的计算更加接近实际情况，并且设计过程融合了测试、仿真和计算过程，使得设计过程考虑的因素大大增加，不仅考虑了结构因素，还包括：微观表面特征，流体散热特性，材料氧化特征等。本发明整合了试验的准确性与仿真的全面性的优势，为摩擦副耐热性设计提供直接的应用方法。
Description
技术领域
本发明属于履带车辆传动领域制动器摩擦元件性能设计技术领域，具体涉及一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法。
背景技术
高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键，其显著特征是大功率、高转速，摩擦副由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。现阶段随着高速、重载履带车辆的工况越来越高。对于大型车辆(>50吨)及履带工程车辆、坦克等的稳态耐热极限要求已达12000J/cm2·s，制动器和离合器的性能要求已经严重影响车辆、飞机的安全运行。在实际使用过程中，车辆制动器往往由于车辆速度高、制动频繁使发热温度急剧上升。制动器往往由于设计的不合理导致摩擦副温度迅速达到材料的耐热极限，从而导致材料不可避免的产生衰退。衰退后的材料难以提供有效的制动扭矩，从而使得制动器产生制动失效的情况。目前制动器的设计多是以虎克定律为基础的静态设计过程，设计之初难以考虑接触表面、摩擦温升、对流换热和材料耐热极限等条件。而且其中有些条件会随着摩擦过程产生变化，如：制动器的散热状况和材料的耐热极限，随着转速的提高，制动器散热能力有所增加，随着材料的老化，制动器耐热极限会随之降低。所以以前静态设计过程显然已经不能满足现代高速、重载车辆制动器的设计需要了。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种适合现代重载、高速履带车辆大功率制动过程的制动器动态耐热性能设计方法。该方法有效解决了制动器重载工况下的材料热衰退问题。与传统设计方法比较该方法的优点是将摩擦接触的微观接触特性考虑到设计过程中来，以制动器高速旋转的自吸效应引发的流体散热为途径，结合了制动器的风冷散热特性；以动态过程建立了摩擦材料的氧化失效的判别准则，从而确立了摩擦材料的动态耐热极限。通过该方法设计获取的制动器摩擦副能更加精准的依循材料的耐热极限变化，大大改善了摩擦副热衰退的几率，保障了制动器良好的工作状态。
本发明采用的技术方案为：一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法，实现步骤如下：
步骤一、分析摩擦副表面的微观形貌特征，提取表面形貌特征参数。
步骤二、根据加载结构特征建立结构特征模型，然后根据工况条件模拟摩擦副工作状态下的面压力分布，通过对压力场云图的分析确定摩擦元件的表面的单点压力P和对应点速度v。
步骤三、根据工况计算热流密度，并以步骤一获取的表面特征为基础，基于粗糙表面的特征参数的接触机理计算界面接触热阻和热流分配系数。
步骤四、以摩擦副自吸旋转散热为特征的流体对流换热计算为摩擦副的耐热计算提供边界条件。
步骤五、通过热固耦合的有限元计算获取摩擦元件耐热性能衰退的临界速度区间。
步骤六、通过材料的表面氧化特征参数生长系数的评估，获取材料表面氧化特征，从而确定材料的耐热极限温度。
步骤七、通过最高点温度计算获得的摩擦副提供的扭矩，从而确定该条件下的材料在高温下的扭矩是否满足设计扭矩，进而确定材料耐热性能是否满足设计要求。其判断条件如下：
其中f(D,G)为与形貌相关的函数，D为维度，G为尺度系数。Tmax为材料的极限温度，max表示最大值，Hb为材料的硬度，b为布氏硬度值，Pε为正压力，ε表示正向的，v为线速度。ρ为密度，c为比热容，k为导热系数，然后根据摩擦系数μ计算出摩擦扭矩，并完成判断。
其中，步骤一中所述的摩擦副表面形貌是以一种粗糙表面代替两种相互接触的粗糙表面，其计算公式：
其中σ1σ2为真实粗糙表面，σ为等效粗糙表面。
提取表面形貌特征参数的过程为：通过白光干涉，获取光源与表面距离，形成表面轮廓，通过以下公式提取特征参数，形貌的特征提取参数为：分形维数D和尺度系数G。
式中Z(x)-粗糙表面轮廓高度；x-粗糙表面测量坐标；G-粗糙表面特征长度尺度系数；D-粗糙表面分形维数(1<D<2)。γn-向量频率的模，相应与粗糙表面波长的倒数，决定着粗糙表面的频谱，γ＝1.3～1.6可适用于高频谱密度及相位的高随机性复杂分形形貌。n1与粗糙表面轮廓的最低阶段频率相对应。
其中，步骤五中获取摩擦元件耐热性能衰退的临界速度区间的方法为：将有限元计算结果的应变集中区域的线速度的值，确定为临界速度。其临界应变量的判断标准为：
其中，δ为临界应变量，δik为应力集中区域的节点应变量，δi为所有区域的节点应变，δv为平均应变，i代表节点。
其中，步骤六中所述的表面氧化特征参数生长系数的评估方法为：某一瞬时表面金相粘结剂区域变色范围(氧化变性)与下一特定时刻该区域的扩展与总接触面积的比例。数学描述为：
其中Ac *为粘结剂变色区域面积，Ac为下一时刻的粘结剂变色区域面积，A为接触面积，z为表面氧化特征参数生长系数。
其中，步骤六中所述的确定材料的耐热极限温度的方法具体描述为：将摩擦材料中未氧化材料的主要作用组元的熔点温度作为初始材料耐热极限，将氧化材料的主要作用组元的剪切强度与摩擦过程线速度v的乘积作为终了耐热极限，二者通过生长系数确定比例关系。其数学描述为：
Tλ＝Tc-z(Tc-τvt/mc)
其中Tc为未氧化材料的主要作用组元的熔点温度，τ为氧化材料主要作用组元的剪切强度，v为线速度，t为作用时间，Tλ为材料的耐热极限温度，m为质量，c为比热容。
本发明的有益效果和优点在于：
(1)该方法有效的解决了当前摩擦副在设计过程中，由于设计不合理导致摩擦副温度迅速达到材料的耐热极限，从而使得摩擦性能衰退，摩擦扭矩降低所带来的制动力不足的问题。
(2)本发明综合了微观、宏观等多种影响材料耐热性能的因素，比传统的方法在考虑计算时更加全面。
(3)本发明方法实现了制动器耐热性能的动态设计。考虑了制动器旋转散热，载荷与速度可变带来的边界条件的变化。各项参数更加能反映制动器工作过程的状态，设计结果也更加优化。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图；
图2为本发明摩擦表面的形貌特征图；
图3为本发明根据加载结构特征建立的结构特征模型；
图4为本发明中的自吸旋转散热为特征的流体旋转状态图；
图5为本发明中的耐热计算所提供边界条件(即流体的对流换热系数)曲线图；
图6为本发明中热固耦合计算后获得的摩擦副应力分布图；
图7为本发明中表面氧化范围在T1时刻的分布；
图8为本发明中表面氧化范围在T2时刻的分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
步骤一、分析摩擦副表面的微观形貌特征，提取表面形貌特征参数。
如图2所示，是通过白光干涉，获取光源与表面距离，形成的表面轮廓，通过公式：
计算出表面的分形维数与尺度系数。由于摩擦副是两个表面，所以本方法的摩擦副表面形貌是以一种粗糙表面代替两种相互接触的粗糙表面，其计算公式：
其中σ1σ2为真实粗糙表面，σ为等效粗糙表面。计算出的结果如表1所示。
表1模拟表面的主要特征参数
步骤二、根据加载结构特征建立结构特征模型，然后根据工况条件模拟摩擦副工作状态下的面压力分布，通过对压力场云图的分析确定摩擦元件的表面的单点压力P和对应点速度v。如图3所示为有限元计算的结果，提取对应节点的压力P，根据工况计算速度的值。如表2所示。单位(mm)
表2初速度计算数值
步骤三、根据工况计算热流密度，并以步骤一获取的表面特征为基础，基于粗糙表面的特征参数的接触机理计算界面接触热阻和热流分配系数。根据接触理论，接触点的载荷为：
则获得该接触状态下的摩擦副的热流密度q。
式中，μ为摩擦系数，Pε为正压力，v为线速度，An名义接触面积。热量通过微观生成，那么在宏观上通过接触表面传递到对偶盘中。
QF＝μ(r,t)·p(r,t)·v(r,t)·H (6.2)
QF摩擦热量，单位W；H参与生热的表面体积，单位m3；
式中：ri，r0摩擦片内外半径，单位m；
Pm(t)摩擦片平均面压，单位MPa。
β摩擦片面压分布系数；β＝Pmax/Pmin，对于金属型摩擦片β>1；非金属型摩擦片β＝1。此时需要考虑边界条件对于压力p和速度v的影响，然后通过接触热阻和热流分配计算摩擦副的传热性能。
热流分配系数计算：
式中ρ为密度；c为比热容；λ为热传导系数；下标d和p分别表示制动盘和对偶盘。则计算获得的各项生热参数如表3所示。
表3摩擦副各项生热参数
步骤四、以摩擦副自吸旋转散热为特征的流体对流换热计算为摩擦副的耐热计算提供边界条件。通过流体的对流换热，获取摩擦副的换热边界，通过模拟摩擦副旋转流场分布，提取流道内部的对流换热平均系数。如图4所示，为流场分布状态，流道内的对流换热系数为表面的平均对流换热系数，其计算方法为，将各节点的对流换热系数相加然后取平均。其结果如图5所示。
步骤五、通过热固耦合的有限元计算获取摩擦元件耐热性能衰退的临界速度区间。将有限元计算结果的应变集中区域的线速度的值，确定为临界速度。如图6所示为摩擦片的应力分布状态(该图由anasys生成，英文为结果说明，是软件自动生成，从上到下意思依次为静结构分析、正应力、类型：正应力(Y轴)、单位：MPa、定制、最大值、最小值)，如下公式进行应力提取。其临界应变量的判断标准为：
其中，δ为临界应变量，δik为应力集中区域的节点应变量，δi为所有区域的节点应变，δv为平均应变，i代表节点。然后计算大于某一数值(这里定义为200MPa)的初速度的值，即步骤二中对应速度工况下的、对应节点区域的初速度的值，这里的载荷对应范围为0.5～1.0MPa下，应力集中区域的临界速度取值范围为：17.10m/s～20.32m/s。
步骤六、通过材料的表面氧化特征参数生长系数的评估，获取材料表面氧化特征，从而确定材料的耐热极限温度。超过临界速度的部分会产生氧化，造成材料耐热性能衰退，所以需要提取材料的衰退程度参数，这里定义了材料的表面氧化特征参数生长系数，评估方法为：某一瞬时表面金相粘结剂区域变色范围(氧化变性)与下一特定时刻该区域的扩展与总接触面积的比例。数学描述为：
其中Ac *为粘结剂变色区域面积，Ac为下一时刻的粘结剂变色区域面积，A为接触面积，z为表面氧化特征参数生长系数。如图7所示为采样区域的在T1时刻的氧化区域范围，图8为该采样区域在T2时刻的氧化区域范围，应用上面的公式即可计算出这段时间的表面氧化特征参数系数为：0.072，即7.2％，所以这段时间材料是以7.2％的速度进行氧化变性的。
将摩擦材料中未氧化材料的主要作用组元的熔点温度作为初始材料耐热极限，将氧化材料的主要作用组元的剪切强度与摩擦过程线速度v的乘积作为终了耐热极限，二者通过生长系数确定比例关系。其数学描述为：
Tλ＝Tc-z(Tc-τvt/mc)
通过公式计算从而可以获得材料的耐热极限温度，由于该材料为Fe基粉末冶金，其主要组元Fe的耐热温度为1568℃，其氧化组元Fe2O3的剪切强度为5MPa，所以计算获得了T1～T2这段时间的材料的耐热极限温度应该为：Tmax＝1038℃。
步骤七、通过最高点温度计算获得的摩擦副提供的扭矩，从而确定该条件下的材料在高温下的扭矩是否满足设计扭矩，进而确定材料耐热性能是否满足设计要求。通过耐热性能的校核，考察摩擦系数是否能为制动器提供有效的扭矩。
获得的摩擦系数最小为：0.22，则计算获得了摩擦副的可以提供的最小扭矩为：108Nm，而许用的最小扭矩设定为：100Nm，所以可以判断设计是合理的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤一、分析摩擦副表面的微观形貌特征，提取表面形貌特征参数；
步骤二、根据加载结构特征建立结构特征模型，然后根据工况条件模拟摩擦副工作状态下的面压力分布，通过对压力场云图的分析确定摩擦元件的表面的单点压力P和对应点速度v；
步骤三、根据工况计算热流密度，并以步骤一获取的表面特征为基础，基于粗糙表面的特征参数的接触机理计算界面接触热阻和热流分配系数；
步骤四、以摩擦副自吸旋转散热为特征的流体对流换热计算为摩擦副的耐热计算提供边界条件；
步骤五、通过热固耦合的有限元计算获取摩擦元件耐热性能衰退的临界速度区间；
步骤六、通过材料的表面氧化特征参数生长系数的评估，获取材料表面氧化特征，从而确定材料的耐热极限温度；
步骤七、通过最高点温度计算获得的摩擦副提供的扭矩，从而确定该条件下的材料在高温下的扭矩是否满足设计扭矩，进而确定材料耐热性能是否满足设计要求，其判断条件如下：
其中f(D,G)为与形貌相关的函数，D为维度，G为尺度系数，Tmax为材料的极限温度，max表示最大值，Hb为材料的硬度，b为布氏硬度值，Pε为正压力，ε表示正向的，v为线速度，ρ为密度，c为比热容，k为导热系数，然后根据摩擦系数μ计算出摩擦扭矩，并完成判断；
步骤一中所述的摩擦副表面是以一种粗糙表面代替两种相互接触的粗糙表面，其计算公式：
其中σ1，σ2为真实粗糙表面，σ为等效粗糙表面；
提取表面形貌特征参数的过程为：通过白光干涉，获取光源与表面距离，形成表面轮廓，通过以下公式提取特征参数，形貌的特征提取参数为：分形维数D和尺度系数G；
式中Z(x)-粗糙表面轮廓高度；x-粗糙表面测量坐标；G-粗糙表面特征长度尺度系数；D-粗糙表面分形维数(1<D<2)，γn-向量频率的模，相应与粗糙表面波长的倒数，决定着粗糙表面的频谱，γ＝1.3～1.6可适用于高频谱密度及相位的高随机性复杂分形形貌，n1与粗糙表面轮廓的最低阶段频率相对应。
2.根据权利要求1所述的一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法，其特征在于，步骤五中获取摩擦元件耐热性能衰退的临界速度区间的方法为：将有限元计算结果的应变集中区域的线速度的值，确定为临界速度，其临界应变量的判断标准为：
其中，δ为临界应变量，δik为应力集中区域的节点应变量，δi为所有区域的节点应变，δv为平均应变，i代表节点。
3.根据权利要求1所述的一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法，其特征在于，步骤六中所述的表面氧化特征参数生长系数的评估方法为：某一瞬时表面金相粘结剂区域氧化变性变色范围与下一特定时刻该区域的扩展与总接触面积的比例，数学描述为：
其中Ac *为粘结剂变色区域面积，Ac为下一时刻的粘结剂变色区域面积，A为接触面积，z为表面氧化特征参数生长系数。
4.根据权利要求1所述的一种高能容干式摩擦元件耐热性能设计方法，其特征在于，步骤六中所述的确定材料的耐热极限温度的方法具体描述为：将摩擦材料中未氧化材料的主要作用组元的熔点温度作为初始材料耐热极限，将氧化材料的主要作用组元的剪切强度与摩擦过程的线速度v的乘积作为终了耐热极限，二者通过生长系数确定比例关系，其数学描述为：
Tλ＝Tc-z(Tc-τvt/mc)
其中Tc为未氧化材料的主要作用组元的熔点温度，τ为氧化材料主要作用组元的剪切强度，v为线速度，t为作用时间，Tλ为材料的耐热极限温度，m为质量，c为比热容。
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2018
- 2018-01-29 CN CN201810081342.9A patent/CN108304641B/zh active Active
Patent Citations (6)
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