制动初速度对制动盘峰值温度和温差的影响*

为改进制动盘的使用寿命,研究车辆速度改变时制动盘峰值温度、最大温差以及单位时间温度增量在不同制动时刻的瞬时温差。利用ADINA软件,针对盘形制动,基于热-机耦合模型模拟计算制动压力0.5 MPa、制动初速度140、160和180 km/h工况下制动盘温度场的变化。结果表明:随制动初速度的增加,盘面峰值温度和最大温差增加,3种速度条件下盘面峰值温度分别为151、167、200℃,最大温差分别为85、91和112℃;盘面温差主要缘于摩擦弧的分布形态,制动初速度的增加放大了摩擦弧的作用;制动初速度对制动盘单位时间温度增量的影响主要体现在制动初始阶段,在制动后期,温度的变化主要由冷却条件和热传导所控制;盘轴向最大温差依赖于盘的导热性能,对制动初速度不敏感。     

动态摩擦因数对蝶式制动器温度场影响的试验和模拟研究

针对蝶式制动器制动过程中温度场研究的需要,利用相似原理研制定速制动试验台,用以模拟摩托车匀速下长坡时的制动工况。制动试验台用车床的三爪卡盘控制固定在旋转轴上的制动盘做定速旋转运动,内外摩擦片通过液压力夹紧制动盘,使制动盘与摩擦片发生摩擦运动,通过热电偶、拉压力传感器、压力表、热成像仪分别测出定速制动50 s的摩擦片上固定点的温度变化、制动扭矩(经计算得出)的动态变化、制动力的均值、制动盘摩擦区域的温度场变化,实时显示并记录下来。定速制动摩擦试验机能实现不同转速、不同制动力等条件下,制动过程中的各变量的动态测量。试验还选取热成像仪测得的最大的温度为变量,研究摩擦因数随温度的变化。在试验的基础上,用ABAQUS对制动盘与摩擦片的相互作用做了一些仿真和分析。仿照实际模型1∶1建模,加载与边界条件与实际模型相同,将测得的摩擦因数随温度变化的数据输入接触条件,仿真得到制动盘与摩擦片温度场的变化。仿真与试验的结果对比表明摩擦因数动态变化的接触模型能很好的模拟制动的实际工况。     

旋转行波超声电机性能提升技术进展

为推动旋转行波超声电机的发展及其在精密驱动领域的应用,综述了其性能提升技术研究进展并分析了现阶段尚且存在的技术问题。首先,从定子行波的合成、质点椭圆运动轨迹、接触界面的摩擦驱动等方面论述了传统旋转行波超声电机的运行机理。然后,从结构优化和新材料应用角度综述了旋转行波超声电机的发展及其局限性;从温升控制角度阐释了温度变化对超声电机性能的影响并介绍了现有解决方案;论述了变预压力对谐振频率漂移的耦合影响,并指出了目前研究存在的不足;从双行波驱动角度分析了超声电机发展过程中的重大突破,概况了其研究历程及可行的发展方向。最后,归纳了旋转行波超声电机亟待解决的技术难题,并建议了解决方案。     

十字形多自由度超声电机接触分析模型研究

十字形多自由度超声电机其动子绕X、Y轴旋转与绕Z轴旋转的驱动机理是不同的,根据弹性接触理论,对其进行了分别考虑,并建立了电机摩擦接触分析模型。利用建立的模型,对多自由度电机机械特性进行了估算,分析了定子振幅、摩擦因数、驱动频率对电机输出性能的影响规律。对所研制样机的机械特性进行了测试,结果表明,所建立的模型对十字形超声电机特性的预估是有效的,可为多自由度超声电机设计提供指导。     

高速列车制动材料高温摩擦磨损行为研究

高速列车制动盘制动时的高温摩擦磨损是导致制动盘失效的原因之一,针对高速列车制动材料,设计了4种不同温度梯度(25℃、200℃、400℃、600℃)的摩擦磨损试验。以制动闸片材料作为销试样、制动盘材料做为盘试样,进行销-盘式摩擦磨损试验。结果表明:25℃和400℃条件下都具有较高的摩擦系数,但是两种温度下的磨损类型不同;25℃条件下盘试样的磨损量和表面粗糙度均最大,以磨粒磨损为主,盘表面有明显犁沟现象;200℃条件盘试样表面平整,摩擦系数和失重量均最小,摩擦面有部分片状石墨起到润滑作用;600℃盘试样出现负磨损,氧化磨损和黏着磨损同时存在。     

基于接触压力分布和非均匀热流密度的列车制动盘热机耦合分析

针对铁路列车制动闸片摩擦块排布方式对制动盘热机耦合响应状态影响显著的问题，提出了一种考虑接触压力分布和非均匀热流密度的热机耦合仿真分析方法。通过在轨道车辆制动性能试验台上进行的制动台架试验，从温度的角度验证了所提方法的正确性。在此基础上，建立了列车全尺寸盘型制动系统有限元仿真分析模型，对现有铁路列车制动闸片摩擦块的排布方式进行了优化分析。结果表明，合理的制动闸片摩擦块排布方式可以显著降低制动盘面的温度和应力峰值，在改善制动盘面温度和应力分布的同时，提供较为优异的制动性能。研究成果可为铁路列车盘型制动系统热机耦合分析提供一种快速有效的仿真分析方法，同时可为铁路列车制动闸片摩擦块的排布优化提供指导方向。     

盘式制动器热-结构耦合的数值建模与分析

在充分考虑移动热源且速度可变效应影响、盘与片摩擦界面间热流耦合的基础上,根据制动盘与摩擦片的实际几何尺哌寸,建立一个紧急制动工况下三维瞬态热-结构耦合的计算模型,运用大型有限元软件ANSYS中的非线性有限元多物理场方法,数值模拟盘式制动器的制动过程.揭示制动过程中制动盘瞬态温度场/应力场的分布规律,发现二者之间存在着耦合关系,二者随制动时间明显地呈现周期性变化,这些周期波动是由移动热源产生的热流冲击和对流换热影响的交替作用所引起的,且其变化周期随制动时间的延长而增大.并初步探讨制动盘产生径向裂纹的原因.     

CRH2盘形制动系统制动尖叫噪声研究

为了研究高速动车组的制动尖叫噪声,建立CRH2拖车盘形制动系统的摩擦耦合有限元模型,对其进行运动稳定性和制动自激振动的瞬态动力学分析,研究了摩擦因数、闸片以及制动盘弹性模量对制动系统尖叫噪声的影响。结果表明：随着摩擦因数μ的增大,盘形制动系统发生制动尖叫噪声的趋势增加;随着闸片弹性模量的增大,制动系统发生制动尖叫噪声的趋势增加,并且激发的噪声频率也明显变大;随着制动盘弹性模量增大,制动系统发生制动尖叫噪声的趋势先降低后增大。     

低温环境下制动参数对列车制动材料摩擦性能的影响

利用销-盘式摩擦磨损试验机与温度控制装置模拟低温环境下列车的制动行为,研究了低温环境(-20℃)下制动压力、制动速度对制动盘与制动闸片摩擦磨损性能的影响.研究结果表明,低温环境(-20℃)下制动盘与闸片之间的摩擦因数和磨损率均比室温环境(20℃)下略微提高.在低温环境下,制动压力和制动速度对制动材料摩擦磨损与损伤行为有明显影响.制动盘与闸片之间的摩擦因数随制动压力的增大呈现先减小后趋于稳定的变化趋势;随制动速度增加,摩擦因数呈现先减小后增加的变化趋势.制动盘和闸片的磨损率随制动压力的增大均呈现先增大后趋于稳定的变化趋势,且闸片材料的磨损率均大于制动盘材料的磨损率;随制动速度的增大,制动盘磨损率呈现快速减小的趋势而闸片磨损率呈现先减小后趋于稳定的趋势.随制动压力和制动速度的增大,闸片磨损表面第三体层分布更加均匀,表面剥落坑数量与面积呈减小趋势.     

基于微尺度的列车制动金属镶嵌行为研究

列车制动过程中,无论是踏面制动还是盘式制动都存在金属镶嵌现象,造成车轮踏面与制动盘盘面损伤,从而对车辆运行带来安全隐患.为研究金属镶嵌的形成原因及行为,选取低摩擦因数合成闸瓦与车轮、粉末冶金闸片与制动盘两种摩擦副产生的金属镶嵌物,进行宏观与微观形貌观察、材料物理及力学性能试验和材质成分含量分析.采用有限元软件ABAQUS建立盘式制动方式的微尺度结构模型,研究硬质磨粒对制动盘表面的划擦磨损过程,以及不同初始制动速度对制动盘面的磨损情况.结果表明,闸瓦及闸片上存在的金属镶嵌物源于车轮和制动盘材料,不同车速下的制动过程对制动盘材料塑性应变与最大接触应力影响不大,但较高速度加剧了材料变形,使塑性功转变为大量热.且当摩擦副间具备冷焊条件时,外界硬质磨粒易熔融于闸瓦或闸片表面成为金属镶嵌物的起始点,受到挤压切削作用并不断长大,影响车轮踏面及制动盘的工作性能.     

超声电机的预压力特性分析与优化

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素,开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面;借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果,提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则,确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明,伴随着预压力的增长,接触区与驱动区同步扩展,同时驱动区占比逐步减小,在一定程度上能减小速度波动,电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动,且机械效率在某个预压力下存在最高值,而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N,在该预压力范围内,超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求,又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

带式输送机盘式制动系统控制特性的数值模拟研究

为研究带式输送机盘式制动系统的控制特性,建立了盘式制动系统的AMEsim仿真模型,并进行了仿真分析,研究了液压缸进口压力和位移随时间的变化规律,突然停电时节流阀不同开度、蓄能器不同充气压力对制动性能的影响,正常制动时的正压力与速度变化规律,以及采用开环和闭环控制时的速度控制特性。结果表明采用开环控制时系统虽然稳定,但响应速度较慢,稳态误差较大。要获得较理想的控制效果,就要采用闭环控制策略。     

石油钻机盘式刹车副材料的摩擦磨损性能研究

为提高深井石油钻机盘式刹车副的摩擦学性能和使用寿命,研制开发了新型刹车盘表面堆焊材料和无石棉刹车块摩擦材料,并通过变温摩擦磨损性能实验,研究了刹车副的摩擦学性能。研究表明,刹车副具有良好的变温摩擦特性和高温抗热衰退性能,高温下的摩擦因数比较稳定;刹车块和刹车盘的磨损率均随温度的升高而增大,但刹车盘表现出相对稳定的耐磨性能。载荷对刹车副的摩擦因数影响不大,变化比较平稳;刹车块和刹车盘的磨损率均随载荷的增大而增大,但刹车块表现出相对稳定的耐磨性。刹车副的摩擦因数随滑动速度的增加而增大,并趋向平稳;但速度对刹车块和刹车盘的磨损率影响不大,变化相对稳定。研制的刹车副材料能够满足石油矿场钻机作业的要求。     

圆盘转子流体阻力分析与试验研究

分析了圆盘转子在紊态流体中旋转受到的流体阻力,利用边界层理论计算了转子旋转所需的扭矩与功率,设计了转子试验装置,得到了转子在不同转速下所需的扭矩和功率数据,应用最小二乘曲线拟合方法得到了转子扭矩、功率与转速的关系。分析结果表明：转子扭矩与转速的一次方和二次方有关,功率与转速的一次方、二次方、三次方均有关。尽管应用边界层理论计算时忽略了表面形状等因素的影响,计算结果较试验数据偏小但仍可作为选取电机的参考。另外,通过对摩擦阻力系数进行修正,可以得到与试验数据相符的计算结果。     

高低温环境下超声电机伺服控制系统的性能

为改善旋转行波型超声电机(TRUM)在极端温度下的输出性能,分析了高低温环境对超声电机及其驱动控制部分的影响,搭建了基于MSP430单片机的伺服控制系统,通过RS232实现PC与控制器以及控制器与UMD-3型驱动器之间的通讯,该系统采用比例和步进逼近的控制方法实现精确的速度和位置控制.以整个系统为研究对象,完成了-40～70℃温度环境下的试验.结果表明:随着温度升高,在电机空载时,系统所能达到的最大速度先升后降,峰值出现在士10℃之间,与测得的最大值相比,70℃和-40℃时的最大速度分别下降了43.2%和12.6%.系统的定位精度达到0.1°,速度控制精度在可调范围内达到1 r/min,两者受温度影响均较小,说明极端温度下可以通过伺服控制使超声电机达到一定的位置和速度精度.     

准高速机车制动盘三维温度场及热应力场分析

应用有限元方法对准高速机车制动盘制动过程中由于摩擦生热引起的热弹性问题进行研究.利用Pro/E软件建立制动盘三维实体模型,并将之导入ANSYS中建立制动盘的三维有限元模型.根据热力学理论建立传热数学模型以及耦合的热弹性本构模型.虚拟仿真过程中考虑热流密度和换热系数随时间变化的影响,得出随时间变化的温度场和应力场.仿真结果表明,制动盘在制动后20s最高温度达到121℃,在制动后10s最大应力达到210MPa.     

风电制动器的热—结构耦合分析

针对制动器紧急制动时制动盘的旋转运动规律,根据风电制动器的实际结构和热传导的基本理论,建立了制动盘的温度场的数值模型,提出了循环迭代的计算方法,并用ANSYS有限元软件模拟了制动盘的温度场。将温度场中的热单元转化成结构单元实现热-结构的间接耦合,采用184单元刚性梁特性来带动制动盘转动,从而来模拟制动盘的减速运动,在充分考虑温度场和应力场的耦合关系的情况下,提出了分步加载的方法来计算制动盘的应力场。模拟结果表明:制动盘摩擦区域的点的等效应力分布与其温度场的分布基本一致。     

Thermal behavior of full and ventilated disc brakes of vehicles

Braking is a process which converts a vehicle’s kinetic energy into mechanical energy which must be dissipated in the form of heat. During the braking phase, the frictional heat generated at the interface of the disc and pads can lead to high temperatures. This phenomenon is even more important than the tangential stress. The relative sliding speeds during contact are also important. The prediction of surface temperature for a brake rotor is regarded as an important step in studying brake system performance. The frictional heat generated on the rotor surface can influence excessive temperature rise which, in turn, leads to undesirable effects such as thermal elastic instability (TEI), premature wear, brake fluid vaporization (BFV) and thermally excited vibrations (TEV). The objective of this study is to analyze the thermal behavior of the full and ventilated brake discs of the vehicles using computing code ANSYS. The modeling of the temperature distribution in the disc brake is used to identify all the factors and the entering parameters concerned at the time of the braking operation, such as the type of braking, the geometric design of the disc and the material used. The results obtained by the simulation are satisfactory compared to those of the specialized literature.