二维轴对称摩擦制动器瞬态热弹性失稳的研究

提出考虑摩擦层闸片厚度的影响,建立二维轴对称摩擦制动器热弹性失稳的数学模型。基于扰动分析法,推导摩擦副的温度场扰动以及不同热点分布模式下的热特征平衡方程。研究临界速度和扰动增长系数的变化规律。计算摩擦面瞬态名义温度随制动时间的变化关系。分析和比较不同摩擦副厚度比、热导率、弹性模量、比热容以及热膨胀系数对系统稳定性的影响。结果表明,当热点呈反对称分布时,系统发生热弹性失稳时所需的最低临界速度远低于对称分布模式,临界速度随扰动频率的增加呈先减小后增加的变化趋势。不同扰动频率对应的扰动增长系数随滑动速度近似呈线性增加,最低临界扰动频率对应的扰动增长系数最大。当扰动频率低于临界扰动值时,温度随扰动频率的增加而增加,反之,则降低。增加摩擦副的厚度、摩擦层闸片的热导率和比热容以及减小滑动层制动盘的热导率和热膨胀系数和摩擦层闸片的弹性模量均可以提高滑动摩擦系统的稳定性。     

摩擦材料特性对离合器热弹性不稳定性的影响

针对车辆换挡离合器,应用热弹性不稳定性(Thermoelastic instability,TEI)理论研究其接合过程中的温度场非均匀分布问题。建立离合器接合过程的二维理论模型,采用扰动法求解系统发生TEI的临界条件。通过试验验证TEI理论对离合器温度场分布研究的适用性和临界速度的存在性。研究表明当离合器接合速度超过临界速度时,系统由于摩擦热、热应力和弹性应力等因素耦合作用而失稳,摩擦副表面温度场出现强烈的非均匀性。热点数小于5时,铜基材料临界速度小于纸基材料;热点数大于5时,铜基材料临界速度大于纸基材料。减小摩擦材料弹性模量、增大热导率以及减小对偶材料热膨胀系数,可以提高系统稳定性。     

有限厚度闸片制动器热弹性不稳定性研究

在Lee研究的热弹性模型基础上,考虑了制动闸片厚度对热点产生的影响;确定了瞬态热传导方程和热弹性平衡微分方程的边界条件,得到了系统发生热弹性不稳定的临界速度表达式.计算结果表明:系统存在着临界扰动频率;系统的扰动指数增长率随速度近似呈线性变化;扰动在低导热系数的闸片材料内速度几乎为0;不同的扰动频率对临界速度和扰动指数增长率均有影响.     

车辆传动系统密封环局部高温热点的热失稳建模研究

根据车辆传动系统密封环的服役特征,提出了一种密封环局部高温热点的热失稳有限元建模方法,可以用来计算密封环发生局部高温热点的临界速度。构建了密封温度存在扰动形式的表达式,基于伽辽金有限元算法,建立密封环局部高温热点的热失稳有限元模型,处理密封系统的热结构耦合关系,形成了密封环局部高温热点临界速度的计算方法。以铜基粉末冶金和灰铸铁密封环为例,计算了不同摩擦因数条件下发生高温热点的临界速度,并考察了临界速度与材料弹性模量、热导率、比热容、热膨胀系数的定量关系。利用自主开发设计的密封性能试验台进行密封热失稳试验研究,设计了密封环热失稳的试验方法,观测了两种密封材料温升及其扰动迁移情况,试验结果与模拟计算结果具有一致性,表明了密封环局部高温热点模拟方法的有效性。     

机械密封的端面温度

一、序言机械密封属接触式端面密封,不仅摩擦副端面因摩擦生热,而且旋转元件因摩擦也会生热;使端面温度升高。密封环端面温度过高会导致密封工作不正常,例如:端面间液膜汽化造成液膜失稳;密封面热裂或热变形造成热弹失稳;温度升高促使磨损和腐蚀加剧。因此,为了保证机械密封正常运转,必须控制其端面温度使之处于正常工作范围内。这样首先就要确定机械密封的端面温度。现有的端面温度计算方法有精确计算的分析法、有限元法、数值方法和热电模拟法,还有平均温度的简单计算方法等。     

旋转密封两种热失稳现象的表征建模与特性研究

在车辆传动系统中的密封环,热失稳现象明显,为掌握热失稳的形成规律和影响机制,针对不同材料的密封环,进行热失稳建模计算与试验研究。根据密封环热失稳现象的特点,分别对局部高温热带和高温热点两种热失稳现象进行建模,基于伽辽金有限元方法,构建热-结构的耦合模型,把非均匀分布物理场及其扰动问题,转换为矩阵行列式进行求解,获得了不同密封材料发生热失稳的临界速度值。随着摩擦因数的增大,密封材料热失稳的临界速度值有下降的趋势。利用自主设计的密封环试验台进行试验分析和模型验证,设计了密封环局部高温热带和热点的试验验证方法,考察了聚酰亚胺和铜基粉末冶金材料密封环的热失稳试验过程,试验与计算结果具有一致性。对试验后的密封环,通过扫描电子显微镜观察密封表面形貌,符合局部高温热带和热点的特征,表明了密封环热失稳建模计算的有效性。     

热弹耦合运动斜板振动特性研究

分析无量纲运动速度、边长比、斜角,无量纲热弹耦合因子等参数对热弹耦合运动斜薄板振动特性的影响。以运动热弹耦合运动斜薄板为研究对象,基于弹性薄板小挠度弯曲理论,建立运动微分方程,采用微分求积法进行离散建立热弹耦合运动斜板的特征方程。得到了热弹耦合运动斜板前3阶模态的无量纲复频率与运动速度之间的关系曲线。结果表明,相同条件下,第1阶模态发散失稳的临界速度随着斜板角度的增加而减小,第1阶模态的发散失稳临界速度随着无量纲热弹耦合因子的增大而增大。     

轴向运动热弹耦合楔形梁的振动特性

以工程中的基本构件楔形梁作为研究对象,分析梁在温度场和弹性场耦合条件下的振动特性。采用D'Alembert原理建立两端固支热弹耦合运动梁的运动微分方程,依据微分求积法得到其特征方程,并对两端固支耦合热弹运动梁的复频率进行了数值计算。得到不同的梁高比下,两端固支轴向运动热弹耦合梁的复频率和速度与频率的变化关系。楔形梁的第一阶模态发散失稳的临界速度随着梁高比的减小而减小,单一模态颤振的临界速度也呈现同样的变化趋势。     

考虑热弹流润滑作用的滚珠丝杠副摩擦力矩建模与分析

针对以往研究中滚珠丝杠副摩擦力矩计算方法中未考虑润滑作用对其影响,或未考虑接触弹性滞后效应以及滑移摩擦效应对其影响的情况。首先基于单个滚珠接触效应建立其热弹流润滑方程;然后在考虑润滑效应的基础上建立其黏性摩擦力、弹性滞后摩擦力及滑移摩擦力方程;最后提出一种基于全滚珠载荷分布与热弹流润滑耦合的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型,建立了预紧力、转速与摩擦力矩之间的耦合关系。试验结果表明,当预紧力从1 kN变化到6 kN,在滚珠丝杠低转速(100 r/min)时,摩擦因数变化范围为0.005 6～0.006 5。随转速的提髙摩擦因数升高且变化量逐渐增大,说明国际标准DIN ISO3408-3:2006中将滚珠丝杠副空载摩擦力矩测量速度定为100 r/min具有合理性,验证了所提出的摩擦力矩计算方法的准确性。     

离合器配对摩擦副径向温度梯度对接触比压的影响

针对离合器滑摩过程中摩擦副元件温度场和应力场分布,建立摩擦热流密度与真实接触面积的动态滑摩过程分析模型,通过动态测温和静态比压试验验证了理论模型对接触比压分布研究的适用性。引入了摩擦副元件动态滑摩热弹形变系数Kα、静态不均匀接触系数Kδ和离合器接触比压扰动系数K。K值为接触比压最大值与名义平均接触比压之比,K值越大,配对摩擦副接触界面比压扰动越大,表明配对摩擦副接触特性越差,真实接触面积越小,离合器越可能出现局部高压与高温区。理论分析与试验结果表明:所研究的铜基粉末冶金摩擦材料与65Mn对偶钢片组成的配对摩擦副:在低、中摩擦热流密度时,真实接触面积为名义接触面积的40%~60%;高摩擦热流密度时,真实接触面积约为名义接触面积20%~40%;当达到或超过临界摩擦热流密度时,配对摩擦副真实接触面积仅为名义接触面积的10%~15%。     

液压缸非线性约束下的轧机辊系振动行为

以四辊板带轧机为例,分析液压压下缸及弯辊缸在轧机辊系振动时表现出的分段弹性力和摩擦力两种非线性约束,建立液压缸非线性约束作用下的轧机辊系振动模型,并采用平均法求得振动系统的幅频响应。通过比较两种非线性作用下辊系振动速度和振动幅值的仿真曲线,研究辊系受分段弹性力和摩擦力影响时的行为特性。取不同分段弹性力和摩擦力,仿真分析两种非线性因素分别对轧机辊系幅频特性的影响规律。结果表明,轧机辊系振动速度受分段弹性力大小影响,系统不稳定频率区域随分段弹性力增大而变宽;摩擦力较小时,对辊系振动行为影响表现为阻尼特性,较大时,摩擦力的非线性成为影响辊系振动行为的主要特性。该结论为轧机辊系振动控制提供了理论参考。     

滑动干摩擦的热机理浅析

分析了在高速滑动干摩擦过程中热的产生和扩散机理、摩擦温度的测定与分析，讨论了摩擦热效应对配副材料摩擦磨损性能的影响。结果表明：在摩擦过程中，摩擦热的形成是显著的；由粗糙表面产生的摩擦热作用在粗糙表面进而影响粗糙表面的形貌；摩擦热是影响摩擦副摩擦性能变化的主要因素；在研制摩擦材料时应充分考虑配副材料的耐热性与散热性等物性，进行优化选材。     

复合材料密封环局部高温热带生成的有限元建模与影响因素

结合密封环的工作特点和结构形式,提出密封环在接触过程中局部高温热带生成的模拟方法。基于伽辽金有限元算法,构建密封系统的热传导、热流密度、温度场扰动等非均匀特性的物理模型,及其各物理场之间的耦合关系,将密封环局部高温热带的热不稳定问题转化为矩阵行列式,并进行求解,可以获得在不同的摩擦条件下,发生局部高温热带的临界速度值。同时,模拟计算获得了临界速度与摩擦因数、弹性模量、导热系数、热膨胀系数和密封环尺寸的关系曲线。除导热系数外,其余几个因素对生成高温热带的临界速度影响较大。利用密封系统试验台进行结果分析和模型验证,在高温热带的临界速度方面,试验结果与模拟计算保持一致。通过扫描电子显微镜进行密封表面形貌分析,在试验速度高于临界速度的条件下进行试验后,密封表面出现明显的带状磨痕,与高温热带特征有较高的吻合度,表明有限元离散模型在密封热不稳定研究方面的适用性。     

Mechanism of energy dissipation in mechanical system with dry friction

Determination of the energy dissipative mechanism in a mechanical system composed of two elastic structures in dry contact is presented. The analysis is based on the measurement of displacement ratio of the contacting elastic structures as a function of frequency due to light impulse excitation at a single point on any of the two elastic structures. The theoretical analysis depends on a very simple model of a two-degree-of-freedom system where two solid friction models are adopted in the analysis of the mathematical model. Several experiments are presented to illustrate the dominant friction mechanism of contacting surfaces within the micro slip regime in a frequency range of oscillation up to 400 Hz. It was shown experimentally that the solid friction model behaves in a way that is described as structural (hysteretic) damping. In other words, the energy dissipated due to dry friction during micro slip regime does not depend on the relative velocity between the two contacting surfaces but it is proportional to their relative displacements. The determination of the contact stiffness and damping loss factor in addition to their variation with the applied normal load was also shown.     

湿式摩擦副滑摩过程温度场分析及实验验证

湿式摩擦副滑摩过程温度场与应力场相互耦合作用,温度场分布受到多种因素影响,其中压力、旋转速度、润滑流量作为湿式摩擦副工作参数对其温度场的影响尤为显著。在理论分析基础上,采用有限元数值模拟分析与实验研究相结合的方法,对摩擦界面温度场时空分布特性进行研究,同时研究界面温度场在摩擦副工作压力、相对转速和润滑流量作用下的变化规律。研究表明:在对偶钢片和摩擦片近外径侧更易出现高温和应力集中区,且对偶钢片相对于摩擦片更易出现温度和应力分布不均匀情况;温度场中高温集中区与应力场中应力集中区相对应,最大温度随着压力增加、相对转速增大、润滑流量减少而显著上升,该结果得到试验结果的验证。     

Buckling of rotating rods and plates

The elastic instability of two basic structural elements, rods and plates, when subjected to compressive stresses arising from steady rotation is considered. The resulting eigenvalue problems are defined and in each case numerical procedures are employed which determine the critical rotational speed and its dependence on the relevant parameters.     

基于销/盘试验机的摩擦噪声试验与仿真研究

为了研究摩擦噪声的产生机制和影响因素,利用销/盘试验机对以转子式压缩机曲轴-法兰材料制成的销/盘试样进行摩擦噪声试验研究;应用ABAQUS有限元软件,建立销/盘试验机有限元模型,利用复特征值分析方法预测该系统摩擦噪声的主频,并与试验结果进行对比;讨论相关参数对系统的稳定性和摩擦噪声的影响。结果表明：销与盘法向和横向振动的耦合是引起系统自激振动和摩擦噪声的重要因素;当系统摩擦界面处的摩擦因数大于系统临界摩擦因数时,系统开始出现不稳定振动,且摩擦因数越大,系统越不稳定,越易出现摩擦噪声;法向载荷对系统稳定性的影响不大;选择具有合适弹性模量的摩擦副材料可以抑制摩擦噪声的产生。     

弹支干摩擦阻尼器在线控制转子失稳

为了实现转子失稳振动的主动控制,建立了基于主动弹支干摩擦阻尼器(ESDFD)的锁相延迟反馈控制法控制转子失稳振动的理论模型和消除转子失稳振动的在线实现方法。理论分析了弹支干摩擦阻尼器提高转子失稳门槛转速,模拟了转子的失稳振动,并对基于锁相延迟反馈控制的在线控制转子失稳振动的效果进行了试验验证。试验结果表明,主动弹支干摩擦阻尼器能够有效地控制转子失稳振动,为转子失稳振动控制提供了一种新途径。     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。