CN113962044A - 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 - Google Patents
一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113962044A CN113962044A CN202111362824.XA CN202111362824A CN113962044A CN 113962044 A CN113962044 A CN 113962044A CN 202111362824 A CN202111362824 A CN 202111362824A CN 113962044 A CN113962044 A CN 113962044A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- brake pad
- brake
- model
- hardness
- braking
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 10
- 239000002783 friction material Substances 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/02—Reliability analysis or reliability optimisation; Failure analysis, e.g. worst case scenario performance, failure mode and effects analysis [FMEA]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Braking Arrangements (AREA)
Abstract
一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法包括如下步骤:步骤一:基于经典Archard模型,构建影响刹车片磨损的因素集,包括(1)基于接触力学机理的Archard磨损模型确定、(2)基于刹车片的工作机理确定影响其寿命的参数、(3)基于Archard模型以及刹车片的工作机理,构建影响刹车片磨损的因素集;步骤二:建立刹车片接触表面相对滑移距离模型;步骤三:建立刹车片摩擦副材料布氏硬度模型;步骤四:构建面向数字孪生的刹车片磨损预测模型。
Description
(一)技术领域
本发明属于安全与可靠性工程领域,具体涉及一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法。
(二)背景技术
刹车片是装备制动过程中核心执行部件,其性能好坏可以直接影响装备的可靠性和安全性。当前针对刹车片磨损量预测的研究方法主要有三种,分别是采用基于实验模拟的仿真方法、基于材料性能的分析方法和基于物理-数据驱动的预测方法。其中,基于物理-数据驱动的方法是目前应用比较广泛的方法,但是该方法难以将刹车片在实际运行过程中受到的真实载荷考虑进来,从而导致模型在实际真实工况条件下的预测结果不准确。
数字孪生技术可以将物理空间装备的实际运行数据实时传输到数字空间进行建模计算,这种运行数据可以包括装备自身的状态数据和装备受到的载荷数据。因此,刹车片的在线实时磨损量预测问题可以采用数字孪生技术解决,但是传统的物理-数据驱动的磨损量预测模型需要面向数字孪生技术进行重构,以精准处理传感器实时采集的大量数据。鉴于此,本发明提出了一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法,可以综合考虑装备实际运行中的真实工况载荷,进而描述出刹车片在真实工况条件下的退化情况,为刹车片的状态监控与寿命预测提供指导。
(三)发明内容
针对上述问题,本发明提供一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型,可以实现面向数字孪生技术的刹车片磨损状态分析与评估,为刹车片的磨损状态监控与寿命预测提供指导,主要包括以下步骤:
步骤一:基于经典Archard模型,构建影响刹车片磨损的因素集。
考虑基于接触力学机理的经典磨损模型,结合刹车片的工作机理,构建影响刹车片磨损的因素集。本步骤包含3个子步骤:
步骤1:基于接触力学机理的Archard磨损模型,其表达式如下:
其中,W为接触表面的磨损量;N为接触表面的法向压力载荷;L为接触表面的相对滑移距离;H为摩擦副材料的布什硬度;K为磨损系数。
步骤2:基于刹车片的工作机理,确定影响刹车片寿命的参数,如表1所示:
表1影响刹车片寿命的参数
名称 | 说明 |
刹车片的材料 | 通常指摩擦块的材料,材料越差磨损的越快 |
制动法向压力 | 由制动器产生,能够改变刹车盘的旋转运动 |
刹车片表面温度 | 刹车片工作时表面温度 |
刹车盘制动初速度 | 制动前的瞬时速度,可直接测量 |
步骤3:基于Archard模型以及刹车片的工作机理,构建影响刹车片磨损的因素集,因素集可记为{N,V,H,L},其中V表示刹车盘制动初速度。因素集中,制动法向压力(N)、刹车盘制动初速度(V)可直接通过测量得到,摩擦副材料的布什硬度(H)、接触表面相对滑移距离(L)需通过建模得到,如表2所示:
表2影响刹车片磨损量的因素集
名称 | 符号 | 说明 |
制动法向压力 | N | 可直接测量 |
刹车盘制动初速度 | V | 可直接测量 |
摩擦副材料的布什硬度 | H | 受刹车片表面温度影响 |
接触表面相对滑移距离 | L | 受刹车盘旋转角度影响 |
步骤二:建立刹车片接触表面相对滑移距离模型。
根据步骤一,结合刹车盘及刹车片的物理模型,考虑到数字孪生技术中可以通过传感器采集到刹车盘旋转角度,因此基于弧长公式建立刹车片接触表面相对滑移距离模型,表达式如下:
L=θ·r
其中,θ为刹车盘转动角度;r为刹车盘距离刹车片中心的半径。
步骤三:建立刹车片摩擦副材料布什硬度模型。
根据步骤一,结合刹车片的摩擦材料,考虑到数字孪生技术中可以通过传感器采集到刹车片制动表面温度,因此基于金属中硬度-温度的关系,建立刹车片摩擦副材料布什硬度模型,表达式如下:
其中,Hn为刹车片第n次制动后的布氏硬度;为刹车片第n次制动过程中的平均表面温度,单位为开尔文;常数A表征材料的固有硬度,通过拟合确定;常数B表征材料的硬度软化系数,通过拟合确定;Δt表示第n次制动过程的时间间隔。
步骤四:构建面向数字孪生的刹车片磨损预测模型。
基于步骤一、步骤二及步骤三,并基于刹车片的自身属性及工作特性对Archard模型进行重构,构建面向数字孪生的刹车片磨损的模型,其表达式如下:
其中,K为刹车片的磨损系数;N(t)为单次制动过程中的法向压力表达式,与时间相关;θ为刹车盘转动角度;r为刹车盘距离刹车片中心的半径;常数A表征材料的固有硬度,通过拟合确定;常数B表征材料的硬度软化系数,通过拟合确定;T(t)为单次制动过程中的刹车片表面温度表达式,与时间相关;t为单次刹车制动过程的总时间。
(四)附图说明
图1为本发明的实施步骤流程示意图
图2为某装备刹车片的工作原理示意图
图3为本发明中刹车片硬度与温度的拟合结果图
图4为本发明中刹车制动过程法相压力与时间的拟合结果图
图5为本发明中刹车制动过程表面温度与时间的拟合结果图
(五)具体实施方式
为使本发明的技术方案、特征及优点得到更清楚的了解,以下结合附图,对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法,可以实现面向数字孪生技术的刹车片磨损状态分析与评估,为刹车片的磨损状态监控与寿命预测提供指导。本发明的实施步骤流程如图1所示,下面结合具体实例说明本发明的实质内容,但本发明的内容并不限于此。
步骤一:基于经典Archard模型,构建影响刹车片磨损的因素集。
考虑基于接触力学机理的经典磨损模型,结合刹车片的工作机理,见图2,构建影响刹车片磨损的因素集。本步骤包含3个子步骤:
步骤1:基于接触力学机理的Archard磨损模型,其表达式如下:
其中,W为接触表面的磨损量;N为接触表面的法向压力载荷;L为接触表面的相对滑移距离;H为摩擦副材料的布什硬度;K为磨损系数。
步骤2:基于刹车片的工作机理,确定影响刹车片寿命的参数,如表3所示:
表3影响刹车片寿命的参数
名称 | 说明 |
刹车片的材料 | 通常指摩擦块的材料,材料越差磨损的越快 |
制动法向压力 | 由制动器产生,能够改变刹车盘的旋转运动 |
刹车片表面温度 | 刹车片工作时表面温度 |
刹车盘制动初速度 | 制动前的瞬时速度,可直接测量 |
步骤3:基于Archard模型以及刹车片的工作机理,构建影响刹车片磨损的因素集,因素集可记为{N,V,H,L},其中V表示刹车盘制动初速度。因素集中,制动法向压力(N)、刹车盘制动初速度(V)可直接通过测量得到,摩擦副材料的布什硬度(H)、接触表面相对滑移距离(L)需通过建模得到,如表4所示:
表4影响刹车片磨损量的因素集
名称 | 符号 | 说明 |
制动法向压力 | N | 可直接测量 |
刹车盘制动初速度 | V | 可直接测量 |
摩擦副材料的布什硬度 | H | 受刹车片表面温度影响 |
接触表面相对滑移距离 | L | 受刹车盘旋转角度影响 |
S1.本实施例中,所选刹车片的物理参数如表5所示。
表5刹车片物理参数及其取值
参数 | 取值 |
材料 | Hfe59-1-1 |
外径 | 150mm |
内径 | 80mm |
厚度 | 30mm |
步骤二:建立刹车片接触表面相对滑移距离模型。
根据步骤一,结合刹车盘及刹车片的物理模型,考虑到数字孪生技术中可以通过传感器采集到刹车盘旋转角度,因此基于弧长公式建立刹车片接触表面相对滑移距离模型,表达式如下:
L=θ·r
其中,θ为刹车盘转动角度;r为刹车盘距离刹车片中心的半径。
S2.本实施例中,测得某次刹车制动过程中,制动初速度为600r/min,制动过程中刹车盘的旋转角度为10.6π,刹车片距离刹车盘中心的半径r=150mm。根据公式计算得到本次制动过程中刹车片与刹车盘相对滑移距离为:
L=θ·r=10.6π×150=1590(mm)
步骤三:建立刹车片摩擦副材料布什硬度模型。
根据步骤一,结合刹车片的摩擦材料,考虑到数字孪生技术中可以通过传感器采集到刹车片制动表面温度,因此基于金属中硬度-温度的关系,建立刹车片摩擦副材料布什硬度模型,表达式如下:
其中,Hn为刹车片第n次制动后的布氏硬度;为刹车片第n次制动过程中的平均表面温度,单位为开尔文;常数A表征材料的固有硬度,通过拟合确定;常数B表征材料的硬度软化系数,通过拟合确定;Δt表示第n次制动过程的时间间隔。
S3.本实施例中,刹车片的材料为Hfe59-1-1,开展其多次制动刹车实验,单次制动过程中可以采集m组表面温度,通过拟合可以获得单次制动过程中表面温度的变化函数T(t),进一步利用定积分求解表面温度的均值,获得与硬度一一对应的样本集合。实验结果部分数据值如表6所示,最终拟合得到的结果如图3所示。
表6Hfe59-1-1材料刹车制动实验数据(部分)
最终,通过最小二乘法拟合得到A=41.5109,B=0.0001317,则刹车片材料的布氏硬度表达式如下:
步骤四:构建面向数字孪生的刹车片磨损预测模型。
基于步骤一、步骤二及步骤三,并基于刹车片的自身属性及工作特性对Archard模型进行重构,构建面向数字孪生的刹车片磨损的模型,其表达式如下:
其中,K为刹车片的磨损系数;N(t)为单次制动过程中的法向压力表达式,与时间相关;θ为刹车盘转动角度;r为刹车盘距离刹车片中心的半径;常数A表征材料的固有硬度,通过拟合确定;常数B表征材料的硬度软化系数,通过拟合确定;T(t)为单次制动过程中的刹车片表面温度表达式,与时间相关;t为单次刹车制动过程的总时间。
S4.本实施例中,某次刹车制动过程所用时间t=5.3s,测得上述装备制动过程中的磨损量为0.00173mm,制动过程中每隔500ms测得一组法向压力和表面温度,共计10组数据,采集到的法向压力数据和刹车片表面温度见表7。
表7某次刹车制动过程中法向压力和表面温度采集数据
序号 | 法向压力/kgf | 表面温度/K | 序号 | 法向压力/kgf | 表面温度/K |
1 | 176.4 | 339.45 | 6 | 202.3 | 344.01 |
2 | 192.7 | 340.21 | 7 | 202.3 | 344.53 |
3 | 200.5 | 342.90 | 8 | 199.5 | 343.48 |
4 | 201.9 | 343.87 | 9 | 198.3 | 343.98 |
5 | 201.3 | 343.55 | 10 | 199.6 | 344.19 |
根据上表的数据,对制动过程中的法向压力进行拟合,如图4所示,获得N(t)的拟合表达式如下:
N(t)=1.409e-9t3-1.449e-5t2+0.04553t+158.4
根据上表的数据,对制动过程中的表面温度进行拟合,如图5所示,获得T(t)的拟合表达式如下:
T(t)=1.554e-10t3-1.761e-6t2+0.006492t+336.2
进一步,根据步骤一、步骤二、步骤三,拟合得到磨损系数K的值为:
最终,得到本实施例中的面向数字孪生的刹车片磨损预测模型为:
Claims (5)
1.一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法,其特征在于它包括如下步骤:
步骤一:基于经典Archard模型,构建影响刹车片磨损的因素集;
步骤二:建立刹车片接触表面相对滑移距离模型;
步骤三:建立刹车片摩擦副材料布什硬度模型;
步骤四:构建面向数字孪生的刹车片磨损预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种面向数字孪生的刹车片磨损模型构建方法,其特征在于:在步骤一中所述的构建影响刹车片磨损的因素集,需基于接触力学机理的Archard磨损模型,其表达式如下:
其中,W为接触表面的磨损量;N为接触表面的法向压力载荷;L为接触表面的相对滑移距离;H为摩擦副材料的布什硬度;K为磨损系数;
然后基于刹车片的工作原理,综合分析实际工作中影响刹车片寿命的参数,如表1所示:
表1影响刹车片寿命的参数
最终建立影响刹车片磨损量的因素集,因素集可记为{N,V,H,L},其中V表示刹车盘制动初速度,因素集中,制动法向压力(N)、刹车盘制动初速度(V)可直接通过测量得到,摩擦副材料的布什硬度(H)、接触表面相对滑移距离(L)需通过建模得到,如表2所示:
表2影响刹车片磨损量的因素集
3.根据权利要求1所述的一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法,其特征在于:在步骤二中所述的建立刹车片接触表面相对滑移距离模型,需结合刹车盘及刹车片的物理模型,考虑到数字孪生技术中可以通过传感器采集到刹车盘旋转角度,因此基于弧长公式建立刹车片接触表面相对滑移距离模型,表达式如下:
L=θ·r
其中,θ为刹车盘转动角度;r为刹车盘距离刹车片中心的半径。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111362824.XA CN113962044B (zh) | 2021-11-17 | 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202111362824.XA CN113962044B (zh) | 2021-11-17 | 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113962044A true CN113962044A (zh) | 2022-01-21 |
CN113962044B CN113962044B (zh) | 2024-07-05 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114781134A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-07-22 | 北京航空航天大学 | 一种基于数字孪生驱动的刹车片在线磨损预测方法 |
CN114919558A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-19 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种摩擦蹄片的磨损监控方法、装置、电子设备及存储介质 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104200034A (zh) * | 2014-09-10 | 2014-12-10 | 清华大学 | 一种干滑动摩擦热-应力-磨损顺序耦合的模拟方法 |
KR20170031906A (ko) * | 2015-09-14 | 2017-03-22 | 서강대학교산학협력단 | 마모 모델을 이용한 프레스 공구의 마모 및 수명 예측 방법 |
CN110630663A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-31 | 广州市李及李科技有限公司 | 预测刹车片磨损情况的方法及系统 |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104200034A (zh) * | 2014-09-10 | 2014-12-10 | 清华大学 | 一种干滑动摩擦热-应力-磨损顺序耦合的模拟方法 |
KR20170031906A (ko) * | 2015-09-14 | 2017-03-22 | 서강대학교산학협력단 | 마모 모델을 이용한 프레스 공구의 마모 및 수명 예측 방법 |
CN110630663A (zh) * | 2019-09-20 | 2019-12-31 | 广州市李及李科技有限公司 | 预测刹车片磨损情况的方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
AMIRHOSSEIN HATAM 等: "Simulation and sensitivity analysis of wear on the automotive brake pad", 《SIMULATION MODELLING PRACTIVE AND THEORY》, 31 May 2018 (2018-05-31) * |
李琳: "基于有限元技术的刹车片钢背精冲模具磨损分析", 《智库时代》, 15 October 2018 (2018-10-15) * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114781134A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-07-22 | 北京航空航天大学 | 一种基于数字孪生驱动的刹车片在线磨损预测方法 |
CN114919558A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-08-19 | 中国第一汽车股份有限公司 | 一种摩擦蹄片的磨损监控方法、装置、电子设备及存储介质 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Radil et al. | The performance of PS400 subjected to sliding contact at temperatures from 260 to 927 C | |
Kermc et al. | Development and use of an apparatus for tribological evaluation of ceramic-based brake materials | |
EP2694940A1 (en) | Method for fatigue assessment of rolling bearing | |
Ficici et al. | Optimization of tribological parameters for a brake pad using Taguchi design method | |
Liu et al. | Advancements in accuracy decline mechanisms and accuracy retention approaches of CNC machine tools: a review | |
CN113962044B (zh) | 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 | |
CN113962044A (zh) | 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 | |
Bougoffa et al. | Dry Sliding friction and wear behavior of CuZn39Pb2 and AA7075 under industrial and laboratory conditions | |
Zhai et al. | Instabilities of sliding friction governed by asperity interference mechanisms | |
Govindarajan et al. | Rolling/sliding contact fatigue life prediction of sintered and hardened steels | |
Ma et al. | Lifetime prediction of WC-6Ni/SiC friction pair under seawater lubrication using an Inverse Gaussian model | |
Leefe | “Bi-Gaussian” representation of worn surface topography in elastic contact problems | |
Qi et al. | Accuracy decay mechanism of ball screw in CNC machine tools for mixed sliding-rolling motion under non-constant operating conditions | |
Yan-chao et al. | Experimental investigation on friction and wear performance of C/C composite finger seal | |
CN115496107A (zh) | 基于数字孪生的航空发动机主轴轴承全生命周期分析方法 | |
Mashiyane et al. | Finite element analysis of the thermo-mechanical behaviour of defect-free cylindrical roller bearing in operation | |
Svirzhevskyi et al. | Methods of evaluating the wear resistance of the contact surfaces of rolling bearings | |
Tan et al. | Analytic calculation and experimental study on the wear of the slide guide of machine tool considering boundary lubrication | |
CN114705519A (zh) | 一种摩擦材料界面自修复性能测试方法及系统 | |
Zhou et al. | Prediction model of fractal dimensions in steady state through a multi-stage running in of Sn11Sb6Cu and AISI 1045 steel | |
CN117875137B (zh) | 一种基于数据驱动的轧制过程轧辊磨损预测方法 | |
Kumar et al. | Analysis of transient thermal temperature distribution over service life of taper roller bearing using FEA | |
Kittur et al. | Numerical Investigation of Total Deformation Inroller Bearing using Ansys Analysis | |
Dotsenko et al. | Experimental Determination of Power Losses in Steel and Hybrid Rolling Bearings | |
Kravchenko et al. | Evaluation of the Operational Reliability of Gear Hydraulic Pumps Repaired Using the Electric Spark Processing Method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant |