濕式摩擦副滑摩過程溫度場(chǎng)分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證*

(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100192；2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子工程系 貴州貴陽 550008)

以濕式摩擦副為核心部件的濕式多片換擋離合器是現(xiàn)代自動(dòng)變速系統(tǒng)與綜合傳動(dòng)裝置的核心部件之一，廣泛應(yīng)用于履帶裝甲車輛、大型船舶、起重機(jī)、裝載機(jī)等和工程機(jī)械等重型裝備。離合器接合過程中，濕式摩擦副處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，產(chǎn)生大量摩擦熱，潤(rùn)滑油流經(jīng)接合界面帶走部分熱量。但是，由于接觸壓力的不均勻分布仍會(huì)導(dǎo)致摩擦界面溫度非均勻分布，產(chǎn)生熱彈不穩(wěn)定性[1-4]，進(jìn)而導(dǎo)致離合器摩擦副出現(xiàn)熱斑、翹曲變形等早期失效形式。隨著時(shí)間的推移，過高的溫度會(huì)使摩擦副出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、材料脫落甚至燒結(jié)為一體[5]，嚴(yán)重影響濕式離合器工作性能。

針對(duì)上述離合器摩擦副熱失效現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究。JEN和NEMENCEK[6]通過分析離合器接合過程，建立熱傳導(dǎo)物理模型，對(duì)單個(gè)摩擦副的整體溫升情況進(jìn)行計(jì)算，并利用全隱式有限差分的方法對(duì)摩擦片的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。胡宏偉[7]利用建立的摩擦副有限元模型研究了控制壓力、相對(duì)轉(zhuǎn)速、鋼片與摩擦片厚度尺寸對(duì)溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響，根據(jù)仿真結(jié)果定性地提出了延緩熱失效的措施。張加元等[8]利用ANSYS通過間接條件和間接耦合方式，對(duì)建立的簡(jiǎn)化三維模型進(jìn)行了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算。張金樂等[9]利用ABAQUS有限元軟件，改進(jìn)了摩擦副徑向熱流密度輸入模型，模擬了溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)瞬態(tài)變化特性。趙家昕等[10]利用熱彈不穩(wěn)定性理論對(duì)濕式離合器接合過程中的局部高溫區(qū)及影響因素進(jìn)行了理論建模與分析，探討了摩擦材料的導(dǎo)熱性與對(duì)偶片厚度對(duì)穩(wěn)定性的影響。ZHAO等[11]提出了多片離合器熱彈性變形的二維模型，并通過ABAQUS有限元分析軟件研究了在滑摩過程中采用碳-碳摩擦材料的離合器摩擦片的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，分析了離合器摩擦元件產(chǎn)生的熱機(jī)耦合在不同摩擦片厚度和不同材料下的影響。然而在上述分析中，常忽略摩擦片表面溝槽結(jié)構(gòu)形式，未考慮摩擦副溫度場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)與流場(chǎng)的交互耦合作用；對(duì)濕式摩擦副內(nèi)部多物理場(chǎng)耦合作用及傳熱過程的分析有待進(jìn)一步的完善。

本文作者針對(duì)摩擦副溫度場(chǎng)分布特性和各種影響因素，建立了帶有溝槽的摩擦副有限元模型，應(yīng)用ABAQUS對(duì)摩擦副滑摩過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行研究，并通過有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析工作壓力、相對(duì)轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑流量對(duì)界面溫度場(chǎng)變化過程的影響。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 熱傳導(dǎo)模型建立

濕式摩擦副由表面帶有溝槽的環(huán)狀摩擦片與對(duì)偶鋼片組成，其幾何模型如圖1所示。

圖1 摩擦副示意圖

摩擦副結(jié)合時(shí)，對(duì)偶鋼片與摩擦片在外壓力作用下逐漸壓緊，同時(shí)由于兩者的相對(duì)滑動(dòng)生成摩擦熱。若忽略磨損顆粒帶走的熱量，在直角坐標(biāo)系下，熱流密度為

q(x,y,z,t)=μ(Δω)pi(x,y,z,t)·Δω·r

(1)

式中：q為單位面積某點(diǎn)熱流密度；μ為摩擦因數(shù)；pi為該點(diǎn)的接觸比壓；Δω為摩擦片與對(duì)偶鋼片的轉(zhuǎn)速差；r為該點(diǎn)距摩擦副中心的半徑。

摩擦副滑摩過程中整個(gè)接觸面輸入的總熱流為

(2)

式中：re、ro分別為摩擦接觸面的內(nèi)徑和外徑；dA=2πrdr。

某一時(shí)刻產(chǎn)生的總熱量：

(3)

式中：t0、ti分別為摩擦副滑摩開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。

濕式摩擦副摩擦片與對(duì)偶鋼片滑摩過程持續(xù)時(shí)間短，接觸界面間隙較小，潤(rùn)滑油主要起到對(duì)流換熱作用，可認(rèn)為摩擦產(chǎn)生的熱量Q全部被摩擦片和鋼片吸收。熱量在兩者之間分配分別為對(duì)偶鋼片吸收熱量Qs，摩擦片吸收熱量Qf，且在溫度連續(xù)的情況下分配系數(shù)與他們的物理屬性有關(guān)，則分配系數(shù)Kq[12]為

(4)

式中：對(duì)偶鋼片和摩擦片輸入的熱流分別為qs與qf；λs、λf為導(dǎo)熱系數(shù)；ρs、ρf為密度；cs、cf為比熱容；s、f分別表示為對(duì)偶鋼片和摩擦片。

濕式摩擦副熱傳導(dǎo)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)過程，根據(jù)傳熱學(xué)理論，在直角坐標(biāo)系下建立摩擦副的熱傳導(dǎo)方程[13]：

(5)

式中：λi為導(dǎo)熱系數(shù)；ρi為密度；ci為比熱容；Ti為摩擦元件的溫度；t為滑摩時(shí)間；x、y、z為摩擦副某點(diǎn)坐標(biāo)；i的數(shù)值為1、2，分別對(duì)應(yīng)對(duì)偶鋼片、摩擦片。

1.2 熱機(jī)耦合模型建立

濕式摩擦副滑摩過程中應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互作用，摩擦副始終處于熱機(jī)耦合狀態(tài)。摩擦熱與對(duì)偶鋼片和摩擦面之間的接觸狀態(tài)相互影響，溫度分布不均導(dǎo)致摩擦副變形不均，進(jìn)而影響接觸狀態(tài)，接觸狀態(tài)的變化反過來又影響摩擦熱流的輸入強(qiáng)度。將式(5)通過Galerkin方法轉(zhuǎn)化為有限元格式：

(6)

根據(jù)熱力學(xué)理論，在已知溫度場(chǎng)求解各部分熱應(yīng)力，溫度引起的線應(yīng)變?yōu)?/p>

Δε=αΔT=α(T-T0)

(7)

式中：Δε為線應(yīng)變；α為線膨脹系數(shù)；T0為初始溫度。

考慮到溫度帶來的影響，則應(yīng)力表示為

σ=K(ε-Δδ)

(8)

式中：σ為應(yīng)力矩陣；ε為應(yīng)變矩陣；Δδ為溫度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變矩陣；K表示為彈性矩陣。

1.3 幾何模型與材料特性

依據(jù)摩擦副傳熱過程中兩側(cè)盤面狀態(tài)對(duì)稱，數(shù)值模型取各片厚度的1/2[14]，幾何尺寸見表1。摩擦片油槽寬度0.002 mm，深度0.001 mm，豎直型油槽數(shù)量為24，油槽橫截面簡(jiǎn)化為矩形，如圖2所示。

表1摩擦副幾何尺寸

Table1Geometrysizeoffrictionpairs

m

圖2 摩擦片油槽有限元模型

有限元模型中，假設(shè)摩擦材料各項(xiàng)同性，摩擦過程中溫升明顯，對(duì)偶鋼片導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化如表2所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得摩擦因數(shù)約為0.13，摩擦副材料屬性如表3所示。

表2 不同溫度下對(duì)偶鋼片導(dǎo)熱系數(shù)

表3 摩擦副材料屬性參數(shù)(20 ℃)

1.4 邊界條件

1.4.1 運(yùn)動(dòng)與壓力加載條件

摩擦副滑摩過程中，設(shè)置對(duì)偶鋼片只能沿Z軸移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，約束X與Y方向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)4個(gè)自由度，摩擦片只繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，固定其在X、Y、Z方向平移和X、Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，對(duì)偶鋼片背面施加均勻壓力1.4 MPa。采用直接熱機(jī)耦合模擬方式，設(shè)置摩擦片初始轉(zhuǎn)速為700 r/min，約為72.8 rad/s，接合時(shí)間為0.5 s。

1.4.2 熱交換條件

濕式摩擦副兩接觸面間有潤(rùn)滑油流過，不考慮潤(rùn)滑油的熱傳導(dǎo)及熱吸收，認(rèn)為每個(gè)時(shí)間點(diǎn)瞬時(shí)只有對(duì)流換熱作用。油槽內(nèi)表面與液體接觸存在對(duì)流換熱，摩擦副內(nèi)外圈表面與空氣接觸，固體與空氣對(duì)流換熱系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值5～25 W/(m2·℃)。在摩擦副具有相對(duì)轉(zhuǎn)速時(shí)r處的對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式[15]為

(9)

式中：Pr為普朗特系數(shù);Rer為雷諾數(shù);Nu為傳質(zhì)努塞爾數(shù);m1用于定義圓盤表面溫度沿徑向分布的指數(shù)，假設(shè)其為線性分布，則m1=1。

摩擦副內(nèi)外環(huán)面對(duì)流換熱可認(rèn)為冷卻油橫掠圓柱體的對(duì)流換熱：

(10)

式中:v(i,o)為內(nèi)外環(huán)面線速度；d(i,o)為內(nèi)外環(huán)面直徑；m2、n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，分別取0.193、0.618[16]。

摩擦片油槽內(nèi)有冷卻油流過，3個(gè)矩形面對(duì)流換熱系數(shù)[17]為

(11)

式中：l為溝槽冷卻油特征長(zhǎng)度，表達(dá)式為l=ro-re。

表4為所用冷卻油物理參數(shù)。

表4 高級(jí)抗磨液壓油L-AN32參數(shù)(40 ℃)

將上述參數(shù)代入式(9)(10)(11)，得出對(duì)流換熱系數(shù)與相對(duì)轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖3所示。

圖3 隨相對(duì)轉(zhuǎn)速變化的對(duì)流換熱曲線

2 有限元模擬結(jié)果及分析

采用ABAQUS軟件模擬分析了濕式摩擦副滑摩過程中溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。圖4、圖5分別為0.5 s時(shí)對(duì)偶鋼片與摩擦片接觸面上的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布云圖。

圖4顯示，對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)分布相似，盤面中間位置平均溫度較高，兩側(cè)邊緣處溫度較低；對(duì)偶鋼片盤面中間圓出現(xiàn)斑點(diǎn)狀應(yīng)力集中區(qū)且沿周向不均勻分布；應(yīng)力集中區(qū)所在徑向位置與高溫區(qū)分布類似，兩者存在較強(qiáng)耦合關(guān)系；溫度與機(jī)械應(yīng)力共同影響鋼片應(yīng)力，摩擦副接合過程中，溫度場(chǎng)改變了界面的應(yīng)力分布，根據(jù)鋼片的材料特性，高溫區(qū)的線性膨脹較大，接觸比壓增大，進(jìn)一步促使應(yīng)力增大，因此溫度高的區(qū)域，其機(jī)械作用與溫度作用的應(yīng)力均較大。

圖5顯示，摩擦片溫度場(chǎng)分布與鋼片類似，但應(yīng)力場(chǎng)僅在個(gè)別位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。這是由于摩擦片材料彈性模量相對(duì)較小，可變形度大；由于溝槽的存在，各部分區(qū)域熱膨脹牽制作用較小，應(yīng)力分布相對(duì)均勻。

圖4 對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖5 摩擦片溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)云圖

2.1 溫度場(chǎng)分析

分別取有限元模型中對(duì)偶鋼片5個(gè)節(jié)點(diǎn)(標(biāo)號(hào)：926、924、922、920、918)，摩擦片接觸面5個(gè)節(jié)點(diǎn)(標(biāo)號(hào)：4620、4622、4623、4624、1918)，以研究摩擦副溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，節(jié)點(diǎn)位置如圖6所示。

圖6 對(duì)偶鋼片(a)及摩擦片(b)節(jié)點(diǎn)示意圖

圖7所示為對(duì)偶鋼片各節(jié)點(diǎn)溫度隨滑摩時(shí)間變化曲線，其中高溫出現(xiàn)在922節(jié)點(diǎn)即平均半徑位置，且隨著時(shí)間的增加高溫?cái)?shù)值持續(xù)上升，在t=0.4 s時(shí)達(dá)到峰值，后開始下降直到滑摩結(jié)束。該變化過程說明，摩擦熱在滑摩初期不斷積累，徑向中部位置相對(duì)于環(huán)面內(nèi)外邊緣處不易散熱，累積熱量最多，致使出現(xiàn)高溫環(huán)帶，且隨時(shí)間的推移溫度持續(xù)上升；滑摩后期，隨著相對(duì)轉(zhuǎn)速的下降，摩擦熱生成量隨時(shí)間的推移下降顯著，熱量累積量小于散熱量，溫度逐漸降低。

圖7 鋼片節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖8所示為不同時(shí)刻對(duì)偶鋼片盤面溫度沿半徑分布曲線。圖中顯示，滑摩初期高溫區(qū)出現(xiàn)在靠近環(huán)面外邊緣處，隨著時(shí)間的推移，高溫帶逐漸內(nèi)移，在半徑r=105 mm處溫度值最大，此時(shí)盤面徑向溫度梯度達(dá)到最大約為52 ℃。這是由于，潤(rùn)滑油液從摩擦副所在圓環(huán)面中心噴出，流經(jīng)盤面從外邊緣處流出；內(nèi)環(huán)邊緣最先被冷卻，外邊緣處由于與外界空氣存在對(duì)流換熱，初期摩擦熱累積量不大時(shí)降溫較為明顯，因而靠近外邊緣處由于摩擦熱累積，潤(rùn)滑油冷卻作用不顯著，無外界空氣對(duì)流，因而成為滑摩初期溫度最高處。隨著滑摩過程摩擦熱生成量增加，大量摩擦熱在中徑處累積，0.4 s時(shí)出現(xiàn)了最高溫；隨著摩擦熱生成量減少，潤(rùn)滑油持續(xù)向外邊緣處流動(dòng)，0.4～0.5 s鋼片表面整體溫度下降。

圖8 不同時(shí)刻鋼片溫度沿半徑分布曲線

由圖9可知：摩擦片表面溫度分布曲線與鋼片類似，中間位置節(jié)點(diǎn)4623處溫度在滑摩0.4 s時(shí)到達(dá)最高為82.51 ℃；邊緣兩側(cè)位置較低，外邊緣節(jié)點(diǎn)4620與中內(nèi)圓節(jié)點(diǎn)4624處溫度，分別低于內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)1918與中外圓節(jié)點(diǎn)4622處溫度；冷卻油流入油槽的速度低于流出速度，摩擦片外邊緣對(duì)流換熱量大于內(nèi)邊緣。摩擦片沿徑向溫度分布如圖10所示，在接合初期，高溫帶較寬，隨著時(shí)間的推移高溫帶逐漸變窄，集中于半徑r=105 mm處，摩擦片最大徑向溫差約為60 ℃。

圖9 摩擦片節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

圖10 不同時(shí)刻摩擦片溫度沿半徑分布曲線

2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析

圖11所示為對(duì)偶鋼片接觸面應(yīng)力隨滑摩時(shí)間變化曲線。如圖所示應(yīng)力隨時(shí)間呈先增大后減小的變化規(guī)律，盤面中間位置應(yīng)力最大，內(nèi)邊緣與外邊緣較小；接合時(shí)間t=0.4 s時(shí)應(yīng)力最大為1.3×108MPa。結(jié)合溫度場(chǎng)變化可知，滑摩初期熱應(yīng)力較小，對(duì)偶鋼片主要由機(jī)械應(yīng)力作用，此時(shí)鋼片接觸面溫度較低，熱應(yīng)力影響小，隨著時(shí)間推移，接觸面溫度逐漸升高，熱應(yīng)力逐漸起主導(dǎo)作用。

圖11 對(duì)偶鋼片節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力曲線

圖12所示為不同時(shí)刻鋼片節(jié)點(diǎn)應(yīng)力沿徑向分布曲線。如圖所示，應(yīng)力集中區(qū)主要分布于半徑105 mm處，盤面最大徑向應(yīng)力差出現(xiàn)在0.4 s。有限元模擬為熱機(jī)直接耦合，接觸面各節(jié)點(diǎn)的溫度狀態(tài)非線性分布致使各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生非穩(wěn)態(tài)變化，兩者相互作用過程符合熱彈不穩(wěn)定性特征。

圖13所示為摩擦片模型接觸面節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，圖14所示為摩擦片模型接觸面節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力沿徑向分布曲線。如圖所示，摩擦片接觸面綜合應(yīng)力隨時(shí)間整體呈上升趨勢(shì)，但局部有應(yīng)力發(fā)生振蕩現(xiàn)象；各半徑處應(yīng)力相差較小，應(yīng)力分布較鋼片均勻，盤面內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)1918處平均應(yīng)力值最大；由于摩擦片內(nèi)齒與傳動(dòng)軸外齒花鍵嚙合受到的周向力較為集中，在盤面熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下，綜合應(yīng)力值較大，中間位置溫度高造成變形嚴(yán)重，接觸不均，綜合應(yīng)力值較小。

圖12 不同時(shí)刻鋼片應(yīng)力沿半徑分布曲線

圖13 摩擦片模型接觸面節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖14 摩擦片模型接觸面節(jié)點(diǎn)綜合應(yīng)力沿徑向分布

2.3 影響因素分析

對(duì)偶鋼片和摩擦片溫度分布類似，且鋼片綜合應(yīng)力隨溫度變化較明顯，濕式摩擦副滑摩過程中，鋼片材料吸熱快易產(chǎn)生高溫區(qū)，且因盤面熱彈不穩(wěn)定性發(fā)生變形和破壞[18]。文中著重分析壓力、相對(duì)轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑流量對(duì)鋼片溫度場(chǎng)的影響。

2.3.1 壓力的影響

有限元模擬過程中設(shè)置邊界條件：轉(zhuǎn)速差為700 r/min，均布?jí)毫Ψ謩e為0.8、1.4、2.0 MPa，模擬得到的對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)分布如圖15和圖16所示。圖15顯示半徑106 mm處溫度隨壓力增加的瞬時(shí)變化規(guī)律，在壓力較低時(shí)，溫度上升緩慢，溫度梯度較低；滑摩時(shí)間不變，壓力增大時(shí)，溫度上升劇烈，溫度梯度也迅速增大，加劇了溫度分布不均，促使局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，影響濕式摩擦副的正常工作。

圖15 不同接合壓力下半徑106 mm處鋼片溫度曲線

圖16 t=0.4 s時(shí)不同接合壓力下鋼片溫度沿半徑分布曲線

圖16表明，壓力增大使得整個(gè)鋼片接觸面溫度整體上升，且壓力由1.4 MPa增長(zhǎng)到2.0 MPa造成的盤面溫升明顯高于壓力由0.8 MPa增長(zhǎng)到1.4 MPa的溫升。較大壓力更易增加對(duì)偶鋼片的熱彈不穩(wěn)定性，易導(dǎo)致摩擦副整體溫度上升。

2.3.2 相對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

壓力設(shè)置1.40 MPa，分別在摩擦副轉(zhuǎn)速差為500、700、900 r/min下對(duì)對(duì)偶鋼片溫度場(chǎng)分布進(jìn)行有限元模擬。由于對(duì)偶鋼片在半徑106 mm處溫度上升最快且溫度值最大，是高溫區(qū)集中出現(xiàn)區(qū)域，故選取其溫度變化曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖17所示。

圖17 不同轉(zhuǎn)速差下半徑106 mm處鋼片溫度曲線

圖17顯示，隨著滑摩時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)速差越大溫升越高，溫度梯度越大。較大的轉(zhuǎn)速差使得摩擦副在滑摩過程中，在短時(shí)間內(nèi)積累大量的熱，增加了對(duì)偶鋼片的熱不穩(wěn)定性，導(dǎo)致易于出現(xiàn)高溫點(diǎn)。

圖18所示為滑摩時(shí)間0.4 s時(shí)溫度在鋼片接觸面沿半徑分布，此時(shí)溫度最高，溫度梯度也最大；轉(zhuǎn)速差較低時(shí)，高溫區(qū)在中內(nèi)圓位置100 mm處；隨著轉(zhuǎn)速差的增大，高溫區(qū)外移到半徑105 mm處，且轉(zhuǎn)速差越大，徑向溫度梯度越大。

圖18 t=0.4 s不同轉(zhuǎn)速差下鋼片溫度沿半徑分布曲線

摩擦副轉(zhuǎn)速越大，產(chǎn)生的熱流密度越大，雖然接觸面冷卻油的對(duì)流換熱量也會(huì)增大，但散熱量依然小于產(chǎn)熱量，溫梯度將增大，因此過高轉(zhuǎn)速易造成摩擦副熱失效。

2.3.3 潤(rùn)滑流量的影響

在有限元模型中設(shè)置接合壓力1.4 MPa，轉(zhuǎn)速差700 r/min，模擬分析不同對(duì)流換熱條件，濕式摩擦副在乏油潤(rùn)滑、正常潤(rùn)滑、富油潤(rùn)滑3種狀態(tài)下摩擦副的溫度變化曲線，如圖19所示。

圖19 3種潤(rùn)滑狀態(tài)半徑106 mm處溫度變化曲線

由圖19可知，3種潤(rùn)滑狀態(tài)溫度上升趨勢(shì)類似，滑摩時(shí)間相同的情況下，乏油潤(rùn)滑狀態(tài)下溫升較大，且在0.35～0.4 s之間曲線出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，而正常潤(rùn)滑和富油潤(rùn)滑狀態(tài)下溫度到達(dá)峰值時(shí)相對(duì)平穩(wěn)。這是由于乏油狀態(tài)對(duì)流換熱條件較差，摩擦副接觸面間摩擦熱不斷累積，溫度顯著升高；高溫區(qū)熱應(yīng)力引起變形，變形改變接觸面積，導(dǎo)致局部接觸應(yīng)力增加，引起摩擦熱增加，進(jìn)一步加劇熱變形。如此循環(huán)，增大熱彈不穩(wěn)定性。

3 溫度場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)及分析

圖20(a)所示為濕式摩擦副試驗(yàn)臺(tái)，圖20(b)為摩擦副測(cè)溫裝置圖，圖20(c)為溫度傳感器布置示意圖，溫度傳感器采用響應(yīng)時(shí)間為5 ms的K型熱電偶。在濕式摩擦副滑摩過程中，摩擦副處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用集流環(huán)作為熱電偶傳感器的輸出接口，通過PXI6225數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)，并在Labview上位機(jī)軟件中做實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

以轉(zhuǎn)速差400 r/min，接合壓力1.4 MPa，潤(rùn)滑流量10 L/min為例，對(duì)偶鋼片接觸表面整體溫度分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖21所示。

圖20 濕式摩擦副試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)溫系統(tǒng)

圖21 鋼片盤面不同半徑處溫度曲線

圖21顯示，半徑114 mm處溫度上升最快，其次中間位置106 mm處，溫度向鋼片內(nèi)圓依次遞減；滑摩初期盤面溫度上升劇烈，5 s后溫度持續(xù)均勻上升；滑摩時(shí)間越長(zhǎng)熱量積累越多，盤面溫升越大；摩擦副滑摩一定時(shí)間后各半徑處平均溫度差值趨于定值。該結(jié)論與有限元模擬得到的對(duì)偶鋼片接觸面節(jié)點(diǎn)溫度變化規(guī)律相一致。

圖22所示為3種轉(zhuǎn)速下對(duì)偶鋼片半徑106 mm處溫度隨滑摩時(shí)間變化曲線。可以看出：轉(zhuǎn)速差越大溫升越快，最大值出現(xiàn)在1.6～1.8 s，溫升變化規(guī)律與有限元模擬結(jié)果類似。

圖22 不同轉(zhuǎn)速差下半徑106 mm處溫度變化曲線

不同轉(zhuǎn)速差下的溫升如表5所示?？梢?，在滑摩轉(zhuǎn)速較低情況下，轉(zhuǎn)速每上升100 r/min，溫升值增加30%～50%。

表5 不同轉(zhuǎn)速差下溫升

4 結(jié)論

(1)對(duì)偶鋼片和摩擦片均存在沿周向分布的高溫環(huán)帶，且靠近外徑側(cè)更易出現(xiàn)高溫和應(yīng)力集中區(qū)；對(duì)偶鋼片相對(duì)于摩擦片更易出現(xiàn)溫度和應(yīng)力分布不均勻情況。

(2)摩擦熱在滑摩初期不斷積累，徑向中部位置相對(duì)于環(huán)面內(nèi)外邊緣處不易散熱，容易累積熱量導(dǎo)致出現(xiàn)高溫環(huán)帶，且隨時(shí)間溫度持續(xù)上升；滑摩后期，隨著相對(duì)轉(zhuǎn)速的下降，摩擦熱生成量隨時(shí)間下降顯著，熱量累積量小于散熱量，溫度逐漸降低。

(3)濕式摩擦副滑摩過程中，溫度由外及內(nèi)依次遞減，最大溫度隨壓力增加、相對(duì)轉(zhuǎn)速增大、潤(rùn)滑流量減小而增加，并得到試驗(yàn)驗(yàn)證。