椭圆形织构摩擦片在核电站安全制动器中作用机理的数值研究（英文）

核电站安全制动器基于高精度、高可靠性设计,而摩擦片是安全制动器功能执行的核心零件,其摩擦性能影响核电站设备的安全性和经济性.本文作者将椭圆织构应用于安全制动器的摩擦片中,通过数值方法研究了椭圆织构摩擦片在电磁制动器中的作用机理;建立椭圆织构摩擦片分析模型,同时利用有限元法求解摩擦片端面的压力分布情况,并研究了椭圆倾斜角、长细比、织构深度和摩擦面间隙变化对压力分布的影响规律.结果表明:增加椭圆织构的长细比可以有效地降低摩擦面的磨损;椭圆织构倾斜角为45°时,气膜承载力最大,可以有效降低摩擦面的磨损;椭圆织构太深或太浅均会增加摩擦面的磨损,当深度为1μm时,可以起到很好的减磨效果;椭圆织构产生较大的气膜承载力从而增大间隙,但气膜承载力随摩擦片间隙增加而减小,因而使摩擦片间隙固定在一定范围,既减少了磨损又保证了设备的稳定运行.本文中涉及的数值研究为完善电磁制动器中的椭圆织构摩擦片设计提供解决方法,后续在产品样机中应用并通过了寿命试验验证.     

微织构尺寸对轴承摩擦磨损性能的影响

为了研究微织构尺寸对滑动轴承摩擦磨损性能的影响,基于滑动轴承摩擦磨损理论模型及摩擦磨损试验,通过设计不同的微织构尺寸,研究了滑动轴承的摩擦磨损性能随微织构尺寸的变化规律.结果表明:在摩擦磨损理论模型中,随着微织构尺寸的增加,滑动轴承润滑性能呈先提高后降低趋势,在无量纲微织构半径是■时轴承具有最优的润滑性能;微织构的磨损性能随着微织构深度的增加大致呈先降低后升高趋势,在无量纲深度为0.03时,滑动轴承磨损性能最优;微织构尺寸半径是■和■时,磨损量相对较小.在摩擦试验中,微织构半径是0.17 mm时润滑性能最优,平均摩擦系数相比微织构半径为0.1 mm时降低了7.1%,同时表面形貌磨损明显小于其他尺寸时的试件.理论和试验均表明,合适的微织构尺寸可以有效提高滑动轴承的润滑性能、降低摩擦系数及减小磨损.     

树脂基复合材料摩擦片摩擦学性能研究

摩擦片的摩擦磨损性能严重影响盘式制动器的使用寿命和客车行驶的安全性.以灰铸铁HT250圆盘为对偶件,利用销盘式摩擦磨损试验机,在不同温度下对树脂基复合材料摩擦片的摩擦系数和磨损率进行研究,同时应用JSM-651010LA型扫描电子显微镜、HGP-7500型光电直读光谱仪和HXD-1000TMSC型显微硬度测试仪对摩擦磨损表面进行观察和测量,表征其摩擦表面的微观形貌和测定微观硬度,进而推断其磨损机理.结果表明:在不同温度下,平均摩擦系数和磨损率均随着温度的升高先增加后降低;随着温度升高,摩擦层的面积和其微观硬度的变化和平均摩擦系数、磨损率的变化规律基本相同;在高温摩擦磨损过程中,黏着磨损占主导作用,同时伴随着切削磨损.     

激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析

基于气体润滑理论,采用与螺旋槽端面密封的对比分析方法,研究了均匀分布激光加工多孔端面气体非接触机械密封的稳定性,数值分析了密封间隙、不对中角度和外界扰动对开启力、泄漏量、气膜刚度以及密封间隙扰动振幅等密封参数的影响规律.结果表明:多孔密封中的动压效应微弱,开启力与气膜刚度与转速无关,密封端面开启时容易发生接触磨损;多孔密封端面压力分布均匀,不对中引起的开启力波动幅度小,但是角向容易产生自激振动,密封环外侧容易发生接触磨损;多孔密封轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦.     

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.      

圆柱形微凹坑排布形式对织构表面摩擦性能的影响

利用数值模拟方法研究了具有微圆柱凹坑织构平面在往复运动下的摩擦学性能,分析了微圆坑深度、半径和织构单元位置偏移率等织构几何参数以及表面间相对运动速度对摩擦力和动压承载能力的影响.结果表明:织构单元位置偏移率由0增加到0.5时摩擦表面间的动压承载能力最大增幅约34.9倍,同时摩擦力也随着位置偏移率的增加而小幅增加;增加微织构单元半径可以同时提升承载能力和减小摩擦;而摩擦力和承载能力均随着微织构单元深度在10~60μm区间的增加呈现先增加后减小的趋势,且均在20μm时取得最大值.     

盘式制动器摩擦噪声特性的试验分析

盘式制动器制动时产生的摩擦噪声不仅影响车辆的驾乘舒适性,还会带来严重的环境噪声污染. 摩擦噪声具有瞬时性与不确定性的特点,至今尚未形成对制动器摩擦噪声机理的统一论断. 基于盘式制动器声振试验台,研究了摩擦系数、摩擦力波动系数和等效A声级三个参数在不同制动压力和制动初速度下的变化规律,结合对摩擦片微观特性的试验分析,从摩擦学角度揭示了盘式制动器摩擦噪声的发生规律及机理. 结果表明:摩擦噪声随制动初速度的增大而减小,随制动压力的增加而先增大后减小;制动摩擦噪声由于摩擦系统不稳定而产生,其产生原因是因为摩擦副表面的沟壑与黏着引起,沟壑与黏着程度与噪声的声压与频率呈正相关关系. 研究结果对于解释制动器摩擦噪声发生机理、控制制动器噪声污染具有重要理论意义和实际价值.      

织构深度对不锈钢表面油润滑条件下摩擦学性能影响的试验和仿真研究

采用激光加工技术在不锈钢表面构造深度不同的沟槽型织构图案,通过UMT摩擦磨损试验机测试了不同织构深度的不锈钢表面在PAO6油润滑条件下的摩擦磨损性能,利用表面轮廓仪和扫描电镜(SEM)对摩擦前后的沟槽形貌进行表征分析,采用计算流体动力学(CFD)方法对试验进行模拟并计算,结合ANSYS Fluent软件模拟分析结果,探究了沟槽织构深度对不锈钢表面在油润滑条件下的摩擦学性能的影响机理. 研究结果表明:加工的沟槽织构及其织构深度显著影响不锈钢表面在PAO油润滑条件下的摩擦磨损行为,织构深度为10 μm的不锈钢表面获得最好的抗磨和减摩效果,与未织构表面相比,其摩擦系数与磨痕宽度降低了60%以上. 这主要是由于织构深度为10 μm的不锈钢表面在摩擦过程中,润滑油通过其收敛区域时产生了很好的楔效应,润滑油产生的升力较大,改善了该织构表面在摩擦过程的润滑状态,从而呈现很好的摩擦学性能.      

激光表面织构对不同材料干摩擦特性的影响

采用环-块线接触摩擦磨损试验,研究了经激光处理后不同织构面密度的45钢和12Cr凹坑形织构试件的干摩擦磨损特性.借助高精度天平分析了试件磨损量,采用三维形貌仪和扫描电镜对试件表面形貌进行了分析.研究结果表明:激光表面织构化使得45钢试件表面形成可以改善摩擦性能的高硬度质点;在相同试验条件下,与无织构试件相比,45钢织构环试件磨损量明显降低,而12Cr织构环试件磨损量却有所升高;织构试件的磨损量在一定范围内随着织构面密度的增加而降低;激光织构化对摩擦系数的稳定值影响不大.     

45#钢表面复合润滑结构的制备及其摩擦性能研究

采用激光微加工技术在45#钢表面制备了微坑型织构,将激光表面织构化与MoS2固体润滑剂相结合在45#钢表面制备了复合润滑结构.研究了其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,考察了织构面密度及织构化微坑大小对其摩擦性能的影响.通过扫描电镜与能量色散谱仪对磨斑表面进行了分析.结果表明:与未织构面相比,织构面具有低而稳定的摩擦系数和高的耐磨寿命;对同一孔径织构面,随着织构密度的增加其表面摩擦系数随之减小,较适宜的织构密度为20%～35%;对同一织构面密度,当织构面密度小于20%时,较小孔径织构面的摩擦系数更低;织构面密度增至35%后,织构面摩擦系数则随孔径增大而减小;由于织构面复合润滑结构中的微坑有效地储存了润滑剂从而在摩擦过程中维持表面润滑薄膜的形成.     

考虑上游泵送效应的滑靴副动压润滑特性

为了改善轴向柱塞泵滑靴副的润滑性能,利用仿生学原理,在斜盘上构建倾斜椭圆形微坑织构. 通过微坑产生的动压效应和上游泵送效应,以期能够优化滑靴副的摩擦性能并减少泄漏量. 基于CFD方法开展了具有椭圆形微坑织构滑靴副的建模与润滑性能研究,揭示了不同润滑介质黏度和转速下柱塞泵滑靴副的承载能力、泄漏量和摩擦系数随微坑倾斜角度的变化规律. 研究结果表明:通过在斜盘面上建立无倾斜椭圆形微坑,能明显提高滑靴副的承载能力,并降低摩擦系数,但会导致泄漏量增大;而在此基础上,通过将椭圆形微坑相对于其滑动方向旋转一定角度,滑靴副的承载能力和摩擦系数不会明显变化,但可以显著减小润滑介质泄漏量.      

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.      

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.     

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.      

基于有限元的高速列车车轮多边形磨耗成因分析

研究了中国高速列车车轮多边形磨耗的形成原因,考虑轮对的旋转惯量,建立了高速列车轮对-轨道-盘式制动系统有限元模型. 基于轮轨系统摩擦自激振动的理论,采用有限元复特征值分析法研究了高速列车制动时轮对-轨道-盘式制动系统的稳定性. 研究了饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动系统摩擦力耦合作用对车轮多边形磨耗的影响,并调查了轮轨-轨道-盘式制动系统的参数敏感性. 数值模拟结果表明:在饱和的轮轨蠕滑力和盘式制动器摩擦力耦合作用下,轮轨系统的摩擦自激振动导致高速列车车轮多边形磨耗的产生,其导致的21~22阶和23~24阶车轮多边形磨耗占主导地位,这与中国高速列车高阶车轮多边形磨耗最为符合. 饱和的轮轨蠕滑力主要影响较低阶车轮多边形磨耗,盘式制动器摩擦力主要影响较高阶车轮多边形磨耗. 制动压力为13 kN时,车轮多边形磨耗形成的几率最小,发展速度最慢. 过高或者过低的垂向悬挂力均不利于抑制车轮多边形磨耗. 垂向悬挂力为75 kN时,车轮多边形磨耗形成的可能性最小,发展速度最慢.      

Optimal shapes of contact interfaces due to sliding wear in the steady relative motion

The transient wear process at contact frictional interface of two elastic bodies in relative steady motion induces evolution of shape of the interface. A steady wear state may be reached with uniform wear rate and fixed contact surface shape. In this paper, the optimal contact shape is studied by formulating several classes of shape optimization problems, namely minimization of generalized wear volume rate, friction dissipation power and wear dissipation rate occurring in two bodies. The wear rule was assumed as a nonlinear dependence of wear rate on friction traction and relative sliding velocity, similar to the Archard rule. The wear parameters of two bodies may be different. It was demonstrated that different optimal contact shapes are generated depending on objective functional and wear parameters. When the uniform wear rate is generated at contact sliding surfaces, the steady state is reached. It was shown that in the steady state the wear parameters of two bodies cannot be independent of each other. The solution of nonlinear programming problem was provided by the iterative numerical procedure. It was assumed that the relative sliding velocity between contacting bodies results from translation and rotation of two bodies. In general, both regular and singular regimes of wear rate and pressure distribution may occur. The illustrative examples of drum brake, translating punch and rotating annular punch (disc brake) provide the distribution of contact pressure and wear rate for regular and singular cases associated with the optimality conditions. It is shown that minimization of the generalized wear dissipation rate provides solutions assuring existence of steady wear states.     

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.     

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.      

等离子喷涂铁－镍－钴－碳化钨涂层制动摩擦特性的研究

重载制动摩擦磨损特性制约着刹车装置的刹车性能及其使用寿命．在ＭＭ－１０００试验机上，对等离子喷涂Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ－ＷＣ涂层的重载制动摩擦特性进行了试验研究．结果表明：在相同的试验条件下，等离子喷涂涂层分别与石棉摩擦材料和半金属摩擦材料对摩时的摩擦系数均比与基体３５ＣｒＭｏ钢对摩时的高，制动时间短，制动效率和耐磨性能都明显提高，制动力矩峰比小，刹车平稳，制动特性好；制动摩擦系数与制动压力、速度和转动惯量等参数密切相关，压力增大，摩擦系数减小，速度和转动惯量增大，石棉材料摩擦副的摩擦系数降低，半金属材料摩擦副的摩擦系数升高，而且半金属材料的摩擦系数的热稳定性比石棉摩擦材料的好