考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.      

磁头/磁盘滑动接触下磁盘温度及热退磁临界条件的研究

采用二维轴对称有限元模型计算磁头/磁盘滑动接触下,铝质磁盘的稳态温度和热应力场以及热退磁临界条件.结果表明:磁盘温度在极短时间内升至摩擦稳态值,然后缓慢线性升高到最终稳态值;经过充分热传导和热交换后磁盘的温度梯度较小,此时磁层内的热应力集中分布于磁盘固定端边缘附近;磁盘的稳态温度和热应力均随速度增大而增大,且载荷越大其值增大越快;热应力小于1.2 GPa时所对应的速度和载荷为安全工况;温升大于373 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用，使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂. 利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律. 此外，进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响. 结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大；下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大；分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.      

轮轨滚动摩擦温升分析

利用有限元法,考虑轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流以及热辐射的影响,建立了轮轨滚动接触热耦合计算模型来模拟轮轨滚滑摩擦温升;在模拟轮轨纯滑动条件下,计算分析了由磨损引起的滑动接触斑的尺寸增大对轮轨温度场的影响;在模拟轮轨接触斑部分滑动工况时,针对不同蠕滑率、摩擦系数以及轴重对轮轨温度场的影响进行了相应的计算分析.结果表明:接触斑材料的磨损速度只影响磨损过程中的温度场分布,其稳态温度场分布基本一致;热载荷随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大,进而影响轮轨滚动接触热疲劳.     

三体介质温成形界面接触换热特性的试验研究

温成形摩擦界面模具与工件之间的传热特性对工件质量和模具寿命有重要影响,固体粉末介质导入该摩擦副可实现高温润滑,但其传热特性与传统加工方式的有很大不同.采用稳态法自行设计了三体界面的传热特性试验,研究和分析了界面温度、接触载荷、层厚对带有石墨粉和氧化铝粉润滑层的H62铜合金和45钢之间的三体界面接触换热系数的影响.结果表明:带有石墨粉润滑层的三体界面接触换热系数随温度的增加先升高后降低,随载荷和层厚的增加先缓慢增加后迅速增加;带有氧化铝粉润滑层的三体界面接触换热系数随温度的变化缓慢升高,与载荷基本成线性关系,随层厚的增加而降低.温度改变了固体润滑剂的材料热阻和上下试样表面硬度及氧化层厚度,载荷改变了三体界面实际接触面积和接触属性,层厚决定能否完全隔开上下试样,不同物性固体润滑剂决定了其材料热阻在三体界面接触热阻中的主次关系.     

全制动工况下轮轨热-机耦合效应的分析

采用有限元法从摩擦热效应角度探寻轮轨表面破坏的原因,建立了轮轨热-机械载荷耦合接触模型,分析纯滑动接触过程中轮轨的温升以及热应力,模型中考虑了轮轨间非稳态热传导、与环境的热对流和热辐射以及轮轨间的接触计算,分析了滑动接触过程中应力场的分布特点以及速度的影响.结果表明:所采用的接触算法能够求解二维轮轨全制动工况下的热接触问题;轮轨摩擦热效应只存在于表层,其影响随着深度增加而减小;轮轨的相对滑动速度越高,其热效应越明显.     

法向载荷和滑动速度对GCr15钢干滑动摩擦的影响

本文研究了在干滑动摩擦情况下,GCr15钢与YG8硬质合金对磨时的摩擦系数与法向载荷及滑动速度的关系。结果表明,摩擦系数是随着法向载荷和滑动速度的增加而降低。根据磨损表面发生的变化和磨损表面温度计算,作者认为法向载荷和滑动速度的增加使闪温增高,从而导致了摩擦磨损表面的局部熔化,即形成了边界润滑,故此摩擦系数降低,而且在较高的载荷和滑动速度条件下,不同显微组织材料的摩擦系数之差减小。     

基于载荷分担理论的渐开线斜齿轮热混合弹流润滑分析

沿接触线把斜齿轮分成许多小薄片,每一薄片看成具有当量角速度的直齿轮,根据欧拉方程得到任一接触点处的曲率半径和表面速度.然后基于载荷分担、弹流润滑和粗糙线接触理论,建立了考虑表面粗糙度的斜齿轮传动混合热弹流润滑模型.研究了斜齿轮传动稳态载荷分布下牛顿流体和Carreau流体时的润滑特性.结果表明:牛顿流体和Carreau非牛顿流体模型下,中心油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升随时间和接触线的变化规律相同.牛顿流体下的摩擦系数较工程实际偏大.Carreau非牛顿流体模型下摩擦系数和工程实际相符,其随接触线啮合位置的变化规律与油膜厚度正好相反.     

表面形貌变形对塑性成形滑动接触界面摩擦的影响

为了更好地理解塑性成形滑动接触界面的摩擦行为,构建了一种新型的摩擦试验装置,运用表面纹理化技术制备了两类表面形貌的1050铝材试件,在不同的接触压力和滑动速度条件下进行一系列拉伸摩擦试验.对试验前后试件三维表面形貌进行了测量;提取真实接触面积比、封闭空体面积比和开放空体面积比等三维表面参数,来描述试件表面形貌的变化.试验发现:摩擦系数随名义接触压力和滑动速度增加而逐渐减小;试件初始表面形貌对摩擦有明显的影响;试件表面形貌和参数随接触条件出现了规律性变化.基于机械流变模型的分析表明:随着试件表面形貌变形,不同的机理决定界面摩擦行为,摩擦系数对名义接触压力和滑动速度的依赖性可分别归因于微观塑性流体动压润滑效应和入口区流体动压牵引效应.     

Exact formulae for determination of the mean temperature and wear during braking

This paper deals with the one-dimensional transient heat conductivity contact problem of a sliding two semi-spaces, which induces effects of friction, heat generation and water during braking. In the present temperature analysis the capacity of the frictional source on the contact plane dependent on the time of braking. The problem solved exactly using the Laplace transform technique. Numerical results for the temperature are obtained for the different values of the input parameter, which characterise the duration of the increase of the contact pressure during braking from zero to the maximum value. An analytical formulae for the abrasive wear of the contact plane is obtained in the assumption, that the wear coefficient is the linear function of the contact temperature. Received on 8 September 1998     

Thermo-electro-mechanical contact behavior of a finite piezoelectric layer under a sliding punch with frictional heat generation

The thermal contact problem of a piezoelectric strip with heat supply generated by the frictional tangential traction under the action of a rigid sliding punch is investigated. The inertial effects are considered. It is convenient to introduce the Galilean transform. Whole cases of the root distribution of the corresponding characteristic equation are detailed. Appropriate fundamental solutions that can lead to real solutions of the thermo-electro-mechanical quantities are derived for the piezoelectric governing equation. The stated problem is reduced to Cauchy singular integral equation of the second kind finally. Numerical results are also presented. The solutions have a reduced dependence on the material properties. The singular behaviors at the edges of the punch are revealed. The stress distribution and temperature distribution above the punch with the variations of the relative sliding speed, the frictional coefficient and the thickness are plotted. The effects of the material constants on the stress distribution and temperature distribution above the punch are presented.     

混合润滑下螺旋锥齿轮抗胶合能力分析

针对螺旋锥齿轮重载下热胶合失效问题，对螺旋锥齿轮在混合润滑条件下的摩擦热行为进行分析. 通过混合弹流润滑数值计算方法和基于有限元的热分析方法，综合考虑螺旋锥齿轮的表面粗糙度、载荷分担、速度矢量和真实接触几何等因素建立点接触混合润滑分析模型，计算啮合轨迹上的连续摩擦系数变化和摩擦热流率，采用有限元分析软件进行齿面热载荷的加载，考虑轮齿导热和齿面与环境的热对流，分析轮齿本体温度场分布和啮合过程中闪温变化. 根据齿面最大接触温度与国际标准ISO 6336-20中齿轮抗胶合能力计算方法进行比较分析. 结果表明:有限元热分析得到的齿面温度与ISO所得变化规律十分接近，其最大温度低于ISO标准计算温度，使用ISO标准计算出螺旋锥齿轮抗胶合安全系数小于有限元法. 在混合润滑下求解的齿面热流率和温度变化，并且考虑了齿轮热传导和热对流影响，从理论上来说有限元法更加符合实际工作情况. ISO方法在处理上述问题以及计算本体温度上仍有不足，但其在齿轮抗胶合能力校核上具有广泛的适用性，可考虑结合有限元热分析法解决传热问题同时进行抗胶合能力综合评价.      

表面纹理磁盘滑动接触的温度和应力及退磁临界条件的研究

采用应力场和温度场耦合的有限元方法,计算磁头/磁盘滑动接触下铝基磁盘磁层内瞬态温度场和应力场及退磁临界条件,分析接触压力、滑动速度、摩擦系数以及磁盘表面纹理对磁层内最大摩擦温升值和最大应力值的影响.结果表明:波形纹理表面瞬间滑动接触所产生的温度分布呈波形特征,表面纹理越尖锐,磁层内的温度和应力越大;滑动速度对磁层内温度的影响大于对应力的影响;当磁层最大应力小于1.2 GPa时,所对应的速度和压力为安全工况;当温升大于180 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

粗糙表面的弹塑性接触研究

建立了综合载荷作用下粗糙表面弹塑性接触的确定性模型,考虑了微凸峰接触的弹塑性变形阶段,数值求解得到实际接触面积、压力分布和微凸峰塑性形变.分析了实际接触面积与法向载荷的关系,并研究了点接触的椭圆参数对上述关系的影响.建立了结点增长模型,分析了结点增长与滑动摩擦系数的关系以及滑动摩擦系数随椭圆参数的变化.结果表明:随着法向载荷增大,实际接触面积与法向载荷之间的非线性关系愈加显著;椭圆参数越大,实际接触面积越小,选择较小的椭圆参数可降低平均接触压力;结点增长的速率随滑动摩擦系数增大而增大;表面剪切作用力使最大Mises应力值升高,疲劳裂纹的发生源向表面靠近;重载时选择较小的滚动轴承沟曲率半径系数有利于减小摩擦功耗.     

Thermoelastic instability of functionally graded materials with interaction of frictional heat and contact resistance

Both of the frictional heat and thermal contact resistance have a grave responsibility for the localized high temperature (hot spots) at the contact region, which is known as one of the most dangerous appearances in the brakes systems. In this paper, we study the thermoelastic instability (TEI) of a functionally graded material (FGM) half-plane sliding against a homogeneous half-plane at the in-plane direction. The interaction of the frictional heat and thermal contact resistance is taken into account in the TEI analysis. The material properties of the FGM half-plane are supposed to follow the exponential function along the thickness direction. The coupled TEI problem of FGMs is solved by using the perturbation method. The frictionally excited TEI of FGMs is also considered by neglecting the effect of the thermal contact resistance. The results show that the thermal contact resistance, sliding speed and gradient index have significant influence on the TEI. It is found that the variation of the gradient index of FGMs can increase the critical sliding speed and critical heat flux, and therefore improve the TEI of the sliding system.     

水工圆形隧洞围岩衬砌摩擦滑动接触的新解法

在实际工程中,围岩和衬砌接触时,它们之间并非完全光滑,也并非可以承受任意大的摩擦力.如果围岩与衬砌之间的剪应力大于所能承受的最大静摩擦力,接触面间将发生切向滑动,定义接触面上产生最小滑动量的状态为衬砌的真实工作状态,这种接触即为摩擦滑动接触.以库仑摩擦模型模拟围岩和衬砌之间的摩擦滑动接触,在考虑支护滞后效应的前提下,利用平面弹性复变函数方法列出了应力边界条件、应力连续条件以及位移连续条件的方程, 再结合最优化理论,建立了具有一般性的摩擦滑动接触解法.在利用混合罚函数法求解最优化问题的过程中,减少了设计变量的个数,极大地简化了优化模型,提升了优化过程的迭代速度以及优化结果的精度.以此为基础,获得了围岩和衬砌相互作用下圆形水工隧洞的应力解析解.该方法可以求解光滑接触和完全接触两种极限情况,具有一般性.同时,利用一种精确的计算方法得到了不同情况下满足完全接触条件摩擦系数的阈值,还分析了衬砌和围岩边界上切向应力的变化规律.      

缠绕提升钢丝绳绕入冲击摩擦特性研究

为掌握多层缠绕提升钢丝绳层与层之间滑动摩擦磨损特性,在自制缠绕式矿井提升机钢丝绳层间摩擦试验台上,以6×19热镀锌钢丝绳为研究对象,对不同载荷、滑移速度、冲击速度下钢丝绳滑动摩擦磨损规律及接触区域温升变化规律进行试验探究.研究结果表明:摩擦系数变化分为快速增长阶段、过渡阶段、稳定阶段;摩擦系数随载荷增加小幅减小,随滑移速度增大总体呈降低趋势;缠绕钢丝绳滑动摩擦温升集中于接触区域,最大温升受滑移速度影响明显,随速度增加而增大;冲击摩擦系数明显低于稳定滑动摩擦系数,最大冲击摩擦系数随冲击速度、滑移速度增大而增大,随着冲击载荷增大出现多次冲击摩擦.     

Experimental study on the temperature evolution in the railway brake disc

Increasing operating speed of modern passenger railway vehicles leads to higher thermal load on the braking system. Organic composite brake pads are poor thermal conductors, hence frictional heat is absorbed mainly by the disc. In this study three brake pad types were tested on the dynamometer. Metallic fibres, steel and copper, were introduced to the formulation of two materials. The third was a non-metallic material-a reference case. Dynamometer test comprised emergency brake applications to determine the frictional characteristics of the materials and constant-power drag braking to analyse the effect of metal fibres on temperature evolution,measured by six thermocouples embedded in the brake disc. Mean friction coefficient is analysed and discussed. It is concluded that conductive fibre in the friction material formulation may influence its tribological characteristics. Despite high thermal conductivity, metal fibres in the concentration tested in this study, did not reduce temperature of the brake disc.     

考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型

基于三维分形理论，建立了考虑摩擦系数和微凸体相互作用的粗糙表面接触热导分形模型，并且考虑了微凸体的弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形. 通过该模型，分析了摩擦系数、分形维数、分形粗糙度和接触载荷对热接触热导的影响. 研究结果表明:接触热导随着摩擦系数和分形粗糙度的增大而减小，随着分形维数和接触载荷的增大而增大. 该研究为开展接合面的热传递提供了一定的理论基础.      

研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的机理研究

高速列车车轮多边形磨耗是我国高速列车自2008年开行以来出现的最严重的问题之一，直接影响到高速列车的运行安全. 利用高速轮轨滚动试验机试验研究了研磨子的增黏作用和局部缺陷修复作用，探讨了其作用机制. 建立了由轮对、钢轨和整体道床组成的轮轨系统滑动摩擦自激振动模型，研究了轮轨黏着和滑动工况下的轮轨系统摩擦自激振动发生趋势，指出研磨子抑制高速列车车轮多边形磨耗的主要机理在于以下两个方面:(1)研磨子的增黏作用，使轮轨系统制动和牵引时不容易发生滑动，消除了车轮多边形发生的条件；(2)研磨子中硬质颗粒能够有效地将车轮踏面的微观缺陷及时打磨清除，从而有效抑制车轮多边形、异常磨耗及接触疲劳裂纹的产生.