CN113962044B - 一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法 - Google Patents

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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

一种面向数字孪生的刹车片磨损预测模型构建方法
(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 (1)

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，具体步骤包括：
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为摩擦副材料的布氏硬度；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，包括：刹车片的材料、制动法向压力、刹车片表面温度、刹车盘制动出速度；
最终建立影响刹车片磨损量的因素集，记为{N,V,H,L}，N表示制动法向压力，V表示刹车盘制动初速度，H表示摩擦副材料的布氏硬度，L表示接触表面的相对滑移距离，其中，制动法向压力N和刹车盘制动出速度V可直接通过测量得到，摩擦副材料的布氏硬度H和接触表面相对滑移距离L需通过建模得到；
步骤二：建立刹车片接触表面相对滑移距离模型，具体步骤包括：
结合刹车盘及刹车片的物理模型，通过传感器采集到刹车盘旋转角度，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＝q×r
其中，q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氏硬度模型，具体步骤包括：
结合刹车片的摩擦材料，通过传感器采集到刹车片制动表面温度，基于金属中硬度-温度的关系，建立刹车片摩擦副材料布氏硬度模型，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，具体步骤包括：
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；q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。
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