高速列车制动闸片摩擦块形状对制动界面摩擦学行为的影响

在自行研制的高速列车制动缩比试验台上,对六边形、五边形和圆形摩擦块进行拖曳制动试验,研究摩擦块形状对高速列车制动界面摩擦学行为的影响,并采用有限元方法分析了不同摩擦块形状下制动界面接触行为的差异,探讨了摩擦块形状对接触压力分布及表面热分布的影响. 结果表明:摩擦块形状显著影响了制动界面磨损特性及接触压力分布,使得制动盘产生不同的温度分布现象. 在本试验条件下,六边形摩擦块表面磨损轻微,接触平台大小较为均匀,而五边形和圆形摩擦块表面呈现明显的犁沟和剥落特征,且大接触平台占比较高;六边形摩擦块与制动盘拖曳制动过程,界面具有较大的接触面积,使得接触压力分布较为均匀,表现出较好的接触行为,而五边形和圆形摩擦块的接触行为相对较为复杂,与之对摩的制动盘产生明显的热聚集现象.      

汽车盘式制动器摩擦-振动耦合特性试验研究

本文针对9种具有不同厚薄差和端面跳动量组合的汽车盘式制动器,利用制动器惯性试验台在四种制动压力工况下进行了制动转矩和制动压力的测量,并通过阶次分析与小波分析的方法研究了盘式制动器摩擦特性与制动压力波动之间的耦合关系.研究发现:制动盘的厚薄差和端面跳动会引起法向力的波动,进而引起摩擦系数的波动,并且摩擦系数、制动压力以及制动转矩的波动都与转速存在2阶的阶次关系;摩擦系数静态成分随着相对速度的减小和制动压力的减小而增大;摩擦系数动态部分随制动压力的增大而减小,且主要由制动盘厚薄差引起,端面跳动对其影响不明显.     

航空发动机叶片-机匣碰摩热-结构耦合仿真

针对转静子碰摩过程中的摩擦热效应现象,建立了叶片-机匣的碰摩热-结构耦合模型。采用热-结构耦合单元,对航空发动机叶片-机匣进行了碰摩热效应特性研究。考虑摩擦因数及旋转过程中的离心力作用,对瞬态-热结构耦合场进行了有限元分析,研究了结构在温度场作用下的热-结构耦合应力和温度分布。与纯机械载荷下的应力分布对比,发现了碰摩热效应在叶片与机匣上的扩散规律。研究结果表明,考虑摩擦热效应时由于热应力的作用,导致结构的总应力水平升高进而产生热变形,从而使故障进一步恶化。由此可见,碰摩热效应的影响在实际航空发动机振动分析中不能忽视。     

沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究

用电火花加工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出不同沟槽宽度和间距的沟槽型表面织构,在自行研制的新型摩擦噪声试验装置上,采用球-平面接触方式,选取直径10 mm的GCr15球为对摩副,对沟槽型织构表面和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,研究沟槽型织构对摩擦噪声的影响.结果表明:本试验条件下沟槽型表面织构的尺寸及分布对摩擦噪声具有重要影响,一定尺寸及分布的织构表面可明显降低摩擦噪声.本试验条件下的摩擦噪声产生主要归因于接触表面的不平顺、磨屑层不均匀分布以及犁削作用等界面因素,这些因素导致了界面摩擦力高频成分的产生,当其与系统的自然频率耦合时,将引起摩擦系统强烈的自激振动并最终产生摩擦噪声.而摩擦界面存在尺寸分布合理的沟槽型表面织构,将能提高界面排屑能力并打断摩擦界面连续的接触,扰乱摩擦系统的自激振动,抑制摩擦噪声的产生.     

外加直流电场对DLC/PAO固液复合润滑体系摩擦学行为的影响

本文中利用球-盘式载流摩擦试验机研究了DLC/PAO固液复合润滑体系在外加直流电场中的摩擦学行为,考察摩擦副滑动速度、加载电压以及回路电流的影响,结果表明:外加直流电场对复合润滑体系摩擦磨损行为的影响与摩擦副的滑动速度密切相关,这源于不同润滑状态时DLC薄膜的电气损伤行为以及薄膜的结构、成分变化.根据润滑状态和外加电压的不同,DLC薄膜的电气损伤可以表现为线状隆起或烧蚀坑,其中线状隆起型损伤源于载流摩擦界面的焦耳热,烧蚀坑损伤则源于摩擦对偶之间的拉弧放电及PAO油膜的击穿.Raman光谱显示电气损伤区DLC薄膜发生显著的石墨化转变,且石墨化程度取决于回路电流的大小.外加电场条件下DLC薄膜的石墨化转变虽然在一定条件下可使复合润滑体系的摩擦系数降低,但削弱了DLC薄膜的抗磨性能,使薄膜的磨损表现为电气损伤和机械磨损的耦合.     

制动盘材料表面织构化处理对摩擦噪声影响的试验分析

在列车制动盘材料表面加工出径向均匀分布的具有不同宽度的沟槽,采用列车制动片为配副材料,在面-面接触模式下对其进行了销-盘式摩擦噪声试验研究,探讨织构表面对摩擦尖叫噪声特性的影响及其作用机理.结果表明:具有特定合理尺寸参数的织构表面能有效地抑制摩擦尖叫噪声.表面沟槽的存在,一方面能提高界面的排屑效率,抑制尖叫噪声的产生,另一方面沟槽棱角与摩擦片平面的碰击能有效地抑制界面摩擦自激振动的高频成分,并达到降低噪声的效果.沟槽的棱角在整个试验过程中保持完好,其降噪作用寿命时间较长.     

磁电弹性复合材料热接触特性研究

磁电弹性(Magneto-electro-elastic, MEE)复合材料在接触热载荷作用下将产生复杂热应力、热电和热磁多物理场响应.基于半解析法建立MEE复合材料热接触模型,其中,推导了单位集中法向力、切向力、电荷、磁荷和温升载荷下各物理量的频率响应函数,引入热流-温升影响系数计算摩擦热产生的温升,并采用离散卷积快速傅里叶变换和共轭梯度法加速其计算过程.将模型计算结果与有限元仿真进行对比,验证模型有效性.进一步利用所提模型分析热接触过程中摩擦热对各物理场的影响规律,结果表明：滑动速度、摩擦系数和表面形貌改变将影响摩擦热分布,进而显著影响应力、电势和磁势的大小和分布;弹性场和电场与摩擦温升呈负相关,而磁场与其为正相关,并且耦合场对温升的敏感程度由高至低为弹性场、电场和磁场.     

导磁制动副摩擦磁化行为及机理研究

利用盘式制动器模拟制动试验台，研究了由磁性有机摩擦片与HT250制动盘构造的导磁制动副在制动过程中的摩擦诱导磁化行为，探讨了制动初速度和制动压力对摩擦磁化的影响规律及作用机理. 结果表明:制动初速度增大将会导致摩擦面温度升高，致使热退磁效应出现，进而使导磁制动副摩擦磁化感应强度减小，这是削弱摩擦磁化的主要因素；随着制动压力的增大，摩擦面温度略微增加但变化不大，但摩擦表面的摩擦磨损程度逐渐加剧，铁镍元素总含量明显上升，导致导磁制动副摩擦磁化磁感应强度增大，从而摩擦磁化获得增强. 研究结果不仅可以为磁控摩擦制动技术的发展提供理论支撑，也可为其他宏观机械和微纳系统界面摩擦磁化研究提供有益理论参考.      

热载荷下压电复合板有限元建模与形变控制

热载荷是引起在轨空间结构形变的重要因素之一，采用压电材料对结构热变形进行主动补 偿，需要建立热、电、力场相互耦合的动力学模型. 基于高阶位移场、高阶电势分布和线性 温度模型，推导了压电复合板结构的热、电、力场耦合的高阶有限元模型. 通过对压电双晶 片梁的分析，得到了压电片中电势沿厚度方向的抛物线型分布，而非通常文献中假设的线性 化分布模型的结果. 针对表面粘贴压电片的压电复合板，计算了热载荷作用下压电复合板的变形、 传感器的电压以及主动补偿后的结构变形，与文献给出的结果基本一致，验证了模型的正 确性. 同时还指出热电效应对结构变形和传感器电压具有十分重要的影响.     

QFP结构中引脚焊缝界面端的奇异性热应力问题研究

由于引脚、印制电路板和焊接剂的热-机材料属性不同,在受到热载荷或机械载荷时,引脚焊接界面端会产生奇异性应力,有可能产生界面开裂.为了基于界面端奇异场来评价QFP结构引脚界面端力学行为,本文拟采用数值方法求解引脚焊缝任意角度尖劈界面端的应力强度系数.具体步骤为:首先,基于高次内插有限元特征分析法确定两相任意角度尖劈界面端的奇异性指数和应力角分布函数,并引入常数热应力项,获得热-机耦合奇异性应力场表达式;采用有限元分析技术和最小二乘拟合法来获得应力强度系数的数值解.文中考察了热-机材料属性对热载荷下焊接剂/印制电路板界面端应力强度系数的影响,并给出改善界面端热应力状态的建议.     

Influence of the temporal profile of the contact pressure on the maximal temperature in pad/disc tribosystem

The solution to a thermal problem of friction during braking for a pad/disc (strip/semi-space) tribosystem with a time-dependence upon friction power is obtained. The convective cooling on an upper surface of a strip and the heat transfer through a contact surface are considered, too. The influence of duration of increase in pressure from zero (at the initial moment of time) to nominal value (at the moment of a stop) on the maximal temperature for a friction pair metal-ceramic pad/cast iron disc is studied.     

Analysis of heat conduction in a disk brake system

In this paper, the governing heat equations for the disk and the pad are extracted in the form of transient heat equations with heat generation that is dependant to time and space. In the derivation of the heat equations, parameters such as the duration of braking, vehicle velocity, geometries and the dimensions of the brake components, materials of the disk brake rotor and the pad and contact pressure distribution have been taken into account. The problem is solved analytically using Green’s function approach. It is concluded that the heat generated due to friction between the disk and the pad should be ideally dissipated to the environment to avoid decreasing the friction coefficient between the disk and the pad and to avoid the temperature rise of various brake components and brake fluid vaporization due to excessive heating.     

Development of a machine integrated strain-based contact force sensor for pad foot soil compactors

An investigation was undertaken to explore the use of measurable pad strains on a non-vibratory pad foot roller to provide real time continuous evidence of compaction and contact force. Individual pads were instrumented with strain gages in a pattern chosen based on pad finite element analysis (FEA). Different pad–soil contact stress distributions were modeled to simulate a range of soil conditions. The FEA revealed that the contact stress distribution has a significant influence on the observed pad strain field, suggesting soil specific interpretation of pad strains in order to determine contact force. Results from uniaxial laboratory testing of pad loading on dry sand verified the FEA, i.e., experimental strains generally matched within 15% of FEA strains. The contact stress distribution was measured using tactile pressure sensors and found to be moderately parabolic. A soil specific empirical calibration factor relating vertical sidewall strains to contact force was determined. Field testing was performed on the dry sand with multiple instrumented pads installed on a Caterpillar CP56 roller. Pad strain magnitudes increased up to 250% during compaction from repeated passes of the roller. Using the empirical calibration factor, the estimated contact force was shown to increase with compaction, represented by the independently-measured soil unit weight.     

制动工况对汽车半金属刹车片磨损性能的影响

刹车片是汽车制动器的重要部件材料,其磨损特性直接影响制动器工作性能和使用寿命,现有研究主要采用小样试验,不能真实反映刹车片实际使用工况. 采用汽车盘式制动器模拟制动试验台,分析了制动初速度、制动压力、摩擦面温度对刹车片磨损的影响规律. 结果表明:随制动压力、制动初速度或摩擦面温度的增大,磨损量曲线均呈上升趋势,其中制动压力的变化对磨损量的影响较小,制动初速度的变化对其影响最大. 通过几组补充试验得到,没有外界热源干预,制动初速度和制动压力共同作用比摩擦面温度对磨损量的影响更明显. 基于试验结果数据,利用SPSS软件拟合了制动工况参数与磨损量之间的经验公式. 研究结果对于指导汽车刹车片的设计制造和使用维护具有一定理论意义和实用价值.      

Distribution of the friction heat between two stationary pins and a rotating disc

A closed-form model for the computation of heat fluxes distribution between two motionless cylindrical pins and a fast rotating disc is investigated. Based on a finite Fourier transform technique and an asymptotic analysis, a series solution for the disc surface temperature is obtained. The solution for the pin is trivial. By matching the average temperatures over the contact areas the coefficients of the heat distribution between a pin and a disc are found. It is demonstrated that the present analysis covers the previously known case of one pin as well as new results are obtained. Received on 4 November 1996     

中心舱体与薄壁梁刚-柔耦合系统的热弹性-结构动力学分析

空间柔性结构受太阳热流冲击而诱发的振动是导致航天器失效的典型模式之一,准确预测结构热致振动的响应及稳定性是卫星设计的基础。针对常见的中心舱体与附属薄壁杆件组成的空间结构,提出了考虑刚-柔耦合、耦合热弹性和耦合热-结构三重耦合效应的热致振动分析理论模型。其中,刚-柔耦合是指舱体姿态角、顶端集中质量转动与柔性附件运动的耦合;耦合热弹性是指应变率与温度场的耦合;耦合热-结构是指舱体转动及结构变形与薄壁杆件吸收太阳热流的耦合。基于热弹性理论和Lagrange方程,推导了传热和运动的耦合方程;采用Laplace变换方法并使用Routh-Hurwitz稳定判据推导了稳定性边界方程。结果表明,该模型能够更为准确的给出热致振动响应及稳定性预测。     

摩擦粒子填充材料对高速列车闸片制动性能的影响

在自行研制的制动缩比试验台上,对中心孔填充不同材料的高速列车制动闸片摩擦粒子进行拖曳制动试验,并采用有限元分析方法进行制动系统复特征值和接触应力分析,探讨填充不同材料对磨损特性、振动噪声和热分布的影响. 结果表明:原始摩擦粒子中心孔填充材料后,对制动系统的摩擦系数和模态耦合特性未产生显著影响,但对界面磨损行为和系统振动噪声特性产生明显影响. 填充粉末冶金后排屑行为下降,磨损行为更为复杂,制动系统产生的噪声增大;而填充紫铜、石墨和铸铁后的制动噪声均有所降低,尤其填充铸铁后表面磨损相对均匀,其摩擦学性能相较于其他粒子得到一定的改善. 填充材料产生的磨屑及相应的界面磨损行为是影响制动摩擦振动噪声和表面热分布的关键因素,填充合理的材料有助于降低制动噪声和改善制动界面磨损行为及表面热分布.      

小管径管翅式换热器气压胀接成形机理研究

管翅式换热器是制冷行业中最常用的换热器形式,其换热管的胀接性能决定了换热器的传热性能.本文提出了管翅式换热器的三维流-固耦合模型,采用单向流固耦合瞬态数值模拟方法,对小管径管翅式换热器的流体和固体域的流动和变形特征开展了数值研究.计算结果表明:根据换热管和翅片的胀接成形要求和胀后管径要求,气压胀接压力的合理范围为P=12.5 MPa,与理论公式推导值一致.根据管翅应力随时间变化的规律可知,换热管接头处应力远大于其屈服极限66 MPa,翅片接头处应力刚好略大于其屈服极限132 MPa,满足胀接成形要求.胀后的换热管直径随着压力的增加其管径增大,换热管的径向位移在水平方向较小,垂直方向较大,其最大和最小位移差约为0.03 mm.探究了管翅间残余接触压力随胀接压力的变化,残余接触压力随胀接压力的变化可分为三个阶段.结果表明当胀接压力使得翅片内孔发生屈服后,继续增大胀接压力会导致胀接不完全.最后研究了保压时间的影响,结果表明保压时间的增加对胀接效果并没有明显影响.相关结果可为工程实际中小管径管翅式换热器气压胀接工艺提供理论指导.     

An alternative analytic approach to the Brazilian disc test with friction at the disc-jaw interface

The role of the tangential (friction) stresses developed at the disc-jaw interface during the standardized realization of the Brazilian disc test is quantified. Sinusoidal variation of both the radial pressure and the friction stresses is considered. The pressure is maximized at the symmetry axis of the load distribution while friction is maximized at the mid-point of the contact semi-arc. Both load distributions (radial and frictional) are exerted along the actual contact length as it is developed during the loading procedure. The stress field all over the disc due to friction stresses is determined in closed form using the complex potentials technique. The solution obtained is applied for two materials both of brittle nature and of different relative deformability compared to steel (i.e. the material of the jaw). The stress field due to friction is compared for both materials with that due to radial pressure, and then, the two solutions are superimposed in order to quantify the total stress field. It is concluded that as one approaches the loading platens, non-ignorable tensile stresses are developed that could lead the disc to premature failure far from the disc’s center. The magnitude of these stresses strongly depends among others on the relative deformability of the disc’s and jaw’s materials since the latter dictates the extent of the loading rim.