基于abaqus的摩擦副最高温度研究

㊀第３８卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀佳木斯大学学报(自然科学版)㊀㊀Ｖｏｌ.３８Ｎｏ.１
㊀２０２０㊀年０１月㊀㊀㊀ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀
Ｊａｎ.㊀２０２０
文章编号:１００８－１４０２(２０２０)０１－００８７－０５
基于ＡＢＡＱＵＳ的摩擦副最高温度研究
①
戴维泽ꎬ㊀石玉权ꎬ㊀尹逊民ꎬ㊀闫㊀泽
(中国船舶重工集团公司第七⚫三研究所ꎬ黑龙江哈尔滨１５００７８)
摘㊀要:㊀以某湿式摩擦离合器的摩擦副为研究对象ꎬ忽略摩擦片表面沟槽结构及散热ꎬ建立摩擦副接触模型ꎬ通过ＡＢＡＱＵＳ仿真分析软件ꎬ对模型直接施加转速㊁压力等条件ꎬ进行更接近实际情况的摩擦生热仿真分析ꎬ得到摩擦副温度场ꎬ对温度场中最高温度出现位置及摩擦副厚度对最高温度的影响进行对比分析ꎬ仿真结果表明ꎬ理论计算平均温升与仿真结果最高温升存在较大差异ꎻ摩擦副最高温度出现在滑摩区域靠近最外圈位置的原因是滑摩过程中钢片及摩擦片沿轴向产生的微小形变ꎻ钢片厚度对最高温度影响较大ꎬ摩擦片厚度对最高温度影响较小ꎬ适当增加钢片厚度能降低最高温度ꎮ
关键词:㊀摩擦副ꎻ有限元ꎻ最高温度
中图分类号:㊀ＴＨ１３２㊀㊀㊀㊀文献标识码:㊀Ａ
０㊀引㊀言
摩擦离合器在接合过程中依靠摩擦片和对偶
钢片之间的滑摩运动传递扭矩ꎬ当滑摩过程中的热负荷过大时ꎬ盘片温度升高ꎬ导致钢片烧蚀变形ꎬ摩
擦片摩擦材料磨损脱落[１]ꎮ吕和生ꎬ吴瑾[２ ３]
等人
基于热流密度模型原理ꎬ将热量相关参数作为模型的边界条件ꎬ对摩擦副温度场进行了分析ꎮ为得到更为接近实际情况的有限元模型ꎬ在忽略摩擦片表面沟槽结构以及散热的条件下ꎬ借助ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件ꎬ建立摩擦副的接触模型ꎬ直接对模型施加转速㊁压力等动力学参数ꎬ对摩擦副摩擦生热过程进行有限元分析ꎬ得到了摩擦副最高温度未出现在摩擦区域最外圈的原因ꎬ以及单位面积滑摩功率为５００Ｗ/ｃｍ２时摩擦片厚度和钢片厚度对摩擦副最高温度的影响规律ꎮ
１㊀摩擦功及平均温升计算模型
在研究的过程中ꎬ对离合器系统进行简化ꎬ其
动力学模型如图１所示ꎮＴａ为驱动力矩ꎬＴｓ为阻力矩ꎬＴｆ为接排时的摩擦力矩ꎬＴｆ 为接排时的反摩擦力矩ꎬωｉｎ为输入轴角速度ꎬωｏｕｔ为输出轴角速度ꎬＪａ为主动部分当量转动惯量ꎬＪｓ为从动部分当
量转动惯量ꎮ
图１㊀离合器系统简化动力学模型
滑摩功计算公式:
Ｗｆ＝
ʏｔ０
Ｔ
ｆ
ω
１
－ω２
()ｄｔ＝
ʏｔ０
Ｔｆω
ｒｅｌ
ｄｔ(１)
ωｒｅｌ为相对转速
滑摩功率计算公式:
Ｗｆ＝Ｒｖｆ
ʏｔ０
Ｑω
ｒｅｌ
ｄｔ(２)
Ｑ为轴向力ꎬＲｖ为当量摩擦半径
单位面积滑摩功率:
Ｐｓ＝
ＰｆＡ＝１
Ａ
Ｔｆωｒｅｌ(３)
Ａ为摩擦副有效工作面积
热分配系数[４]:
①
收稿日期:２０１９－１１－２１
基金项目:船舶动力基础科研项目(ＭＧ０５０１)ꎮ
作者简介:戴维泽(１９９４－)ꎬ男ꎬ黑龙江哈尔滨人ꎬ硕士ꎬ研究方向:轮机工程ꎮ
佳木斯大学学报(自然科学版)２０２０年
Ｋｑ＝ｑｓｑｆ
＝
ｋｓρｓｃｓｋｆρｆｃｆ
(４)
ｋｓ为钢片导热系数ꎻｋｆ为摩擦片导热系数ꎻρｆ
为摩擦片密度
ｃｓ为钢片比热容ꎻｃｆ为摩擦片比热容平均温升:
Δｔ＝
Ｗｆｃｍ
(５)
２㊀有限元模型及边界条件
摩擦离合器摩擦副由两部分构成ꎬ分别为摩擦
片和对偶钢片ꎬ皆为具有一定厚度的圆环结构ꎮ对偶钢片为光片ꎬ摩擦片中间为芯板ꎬ两侧为铜基粉末冶金材料ꎮ摩擦副的材料参数及边界条件如表１~表２所示ꎮ摩擦副三维及有限元模型如图２所示ꎮ摩擦副有限元模型网格为六面体网格ꎬ类型为Ｃ３Ｄ８Ｔꎬ摩擦片单元数为３１２８ꎬ节点数为４８９６ꎬ钢片单元数为１１５２ꎬ节点数为２５９２ꎮ
表１㊀摩擦副材料参数
摩擦片基板
摩擦层对偶钢片内径ｄｉｎ/ｍｍ
１８０２００２０４外径ｄｏｕｔ/ｍｍ２７０２７０２６６厚度ｄ/ｍｍ３２５密度ρ/ｋｇ ｍ－３７８００４０５０７７５０杨氏模量Ｅ/ＧＰａ
１６０１１０２０９泊松比
０.３０.３０.３导热系数ｋ/Ｗ ｍ１ Ｋ－１４６
９.７２
４５.５比热ｃ/Ｊ ｋｇ－１ Ｋ－１４８７３９０.６４２０
热膨胀系数ＣＴＥ/Ｋ－１
１１.８ˑ１０－
６１６.８ˑ１０－６１１.４ˑ１０－６
图２㊀摩擦副三维及有限元模型
表２㊀摩擦副边界条件
摩擦系数０.０７滑摩时间/ｓ０.１油压/ＭＰａ２初始温度/ħ
２０
相对转速/ｒａｄ ｓ－１
３００
㊀㊀为方便分析ꎬ对接合情况进行如下假设:
(１)摩擦副各项同性ꎬ整个过程摩擦系数为常
数ꎬ忽略材料参数随温度的变化ꎻ
(２)
摩擦热只传递给摩擦片和对偶钢片ꎻ(３)不考虑摩擦片沟槽和润滑油的散热ꎻ(４)忽略热辐射散热ꎮ
３㊀理论计算及有限元分析结果
摩擦片及对偶钢片表面温度场如图３所示ꎮ
图３㊀摩擦副有限元分析结果
摩擦片以及钢片最高温度均出现在靠近最外圈的位置ꎮ实际摩擦片的失效位置也位于靠近最外圈处ꎮ理想状况下ꎬ随着径向尺寸的增大ꎬ线速度升高ꎬ摩擦剧烈ꎬ最高温度应出现在径尺寸最大的位置ꎬ即摩擦区域的最外圈ꎮ将摩擦副截面在０.００１ｓ和０.１ｓ
沿轴向的形变尺寸分别放大１００００倍和１００
倍并进行观察ꎮ摩擦副截面形变情况及最外圈节点沿轴向形变随时间的变化如图４~图５所示ꎮ
图４㊀摩擦副截面形变
图５㊀摩擦副最外圈轴向形变曲线
随着压力的增大ꎬ摩擦副产生微小形变ꎬ随着滑摩过程的进行ꎬ在热膨胀及应力的作用下ꎬ摩擦副最外圈形变增大ꎬ导致其脱离摩擦转态ꎬ实际摩擦区域变小ꎬ最高温度出现在仍处于摩擦状态的径向尺寸最大的位置ꎬ即靠近最外圈的地方ꎮ由于摩
８
８
第１期戴维泽ꎬ等:基于ＡＢＡＱＵＳ的摩擦副最高温度研究
擦副材料的各向同性ꎬ温度最高的位置即为破坏失
效位置ꎮ随着滑摩时间的增加ꎬ摩擦副最外圈形变
量逐渐变大ꎬ最后稳定在０.０２５ｍｍ左右ꎮ摩擦副
计算结果如表３所示ꎮ
表３㊀摩擦副计算结果
滑摩功率/ｋＷ１２８.５钢片平均温升/ħ３.１
滑摩功/ｋＪ１２.８５摩擦片平均温升/ħ３８.４
热分配系数ｋｑ５００单位面积滑摩功率/Ｗ ｃｍ－２２３.１
摩擦片的计算平均温升为３８.４ħꎬ仿真结果最高
温升为６５.６ħꎻ钢片的计算平均温升为２３.１ħꎬ仿
真结果最高温升为６９.３ħꎮ平均温升为摩擦产生
的热量被摩擦副全部材料均匀吸收所产生的温升ꎬ
而仿真分析中ꎬ摩擦产生的热量主要集中于摩擦表
面上ꎬ摩擦副最外圈产生轴向形变脱离滑摩状态ꎬ
有效摩擦区域变小ꎬ导致仿真结果最高温升与理论
计算平均温升存在较大差异ꎬ其中摩擦片仿真结果
为计算结果的１.７倍ꎬ钢片仿真结果为计算结果的
３倍ꎮ
４㊀摩擦副厚度对温度场的影响
为探究摩擦片及钢片的厚度对摩擦副最高温
度的影响ꎬ在保持滑摩功率及滑摩功不变的前提
下ꎬ进行以下对比分析:
１)摩擦片的厚度不变ꎬ仅改变钢片的厚度ꎬ分
析钢片厚度的变化对温度场的影响ꎻ
２)钢片的厚度不变ꎬ仅改变摩擦片摩擦层的
厚度ꎬ分析摩擦层厚度的变化对温度场的影响ꎻ
３)钢片与摩擦片一侧摩擦层的总厚度不变ꎬ
分别改变钢片和摩擦层的厚度ꎬ分析钢片和摩擦层
厚度占比对温度场的影响ꎮ
除改变的参数外ꎬ其他参数与上述参数相同
ꎮ
图６㊀钢片厚度－最高温度曲线
４.１㊀钢片温度场的影响
摩擦层厚度恒定为２ｍｍꎬ钢片初始厚度２ｍｍꎬ每增加０.２ｍｍ计算一次ꎬ摩擦副最高温度变化如图６所示ꎮ
由图６可知ꎬ当滑摩功和摩擦片厚度一定时ꎬ随着钢片厚度的增加ꎬ摩擦副的最高温度逐渐降低ꎬ且钢片的最高温度始终高于摩擦片的最高温度ꎬ由于钢片的导热系数较大ꎬ吸收的热量更多ꎬ钢片厚度尺寸的改变对摩擦副整体温度的影响较大ꎬ但当钢片厚度超过一定数值时ꎬ摩擦副最高温度基本不再下降ꎮ
４.２㊀摩擦片厚度对温度场的影响
摩擦片基板的温升很小ꎬ予以忽略ꎬ温升主要体现在与钢片进行摩擦的一侧摩擦层上ꎬ在探究摩擦片厚度对温度场的影响时ꎬ变量为摩擦片单侧摩擦层的厚度ꎮ钢片厚度为５ｍｍꎬ摩擦片单侧摩擦层厚度每变化０.２ｍｍ分析一次ꎬ摩擦副最高温度变化如图８所示
ꎮ
图７㊀摩擦片厚度－最高温度曲线
由图７可知ꎬ当改变摩擦层厚度时ꎬ摩擦副的温度在６５ħ~９０ħ波动ꎬ整体无明显吧变化趋势ꎬ由于摩擦层导热系数较小ꎬ吸收热量小ꎬ以及钢片和摩擦片之间的热交换ꎬ导致摩擦层厚度的变化对摩擦副整体最高温度的影响不大ꎮ
４.３㊀摩擦副厚度占比对温度场的影响
钢片和单侧摩擦层厚度总和分别为４ｍｍ㊁５ｍｍ㊁６ｍｍ㊁７ｍｍ㊁８ｍｍ㊁９ｍｍ㊁１０ｍｍꎬ钢片和摩擦层厚度每次变化０.２ｍｍꎬ将钢片厚度做为横坐标ꎬ最高温度为纵坐标ꎬ摩擦副最高温度随钢片厚度的变化情况如图８所示ꎮ
由图８可知ꎬ当总厚度为４ｍｍ~７ｍｍ时ꎬ整体呈现较一致的规律性ꎬ及摩擦副的最高温度会在钢片厚度小于临界值时急剧升高ꎬ在钢片厚度大于临界值时ꎬ摩擦副的最高温度随着钢片厚度的减小呈缓慢上升趋势ꎮ当总厚度为８ｍｍ~１０ｍｍ时ꎬ钢片
９８
佳木斯大学学报(自然科学版)２０２０年
厚度过大或过小ꎬ摩擦副的最高温度均会急剧上升ꎬ当钢片厚度处于两个临界值之间时ꎬ整个摩擦副的最高温度整体呈缓慢上升趋势ꎮ将上述两种的情况中温度突变的厚度成为临界厚度ꎮ钢片厚度是影响摩擦副温升的主要因素ꎬ故主要对钢片的临界厚度进行分析ꎬ钢片临界厚度如表４所示
ꎮ
图８㊀摩擦副不同总厚度最高温度曲线
表４㊀钢片临界厚度表
摩擦副厚度/ｍｍ４５６７８９１０
钢片临界厚度/ｍｍ１.８１.８１.４２１.８１.８１.６
㊀㊀由表４可知ꎬ单位面积滑摩功率为５００Ｗ/ｃｍ２
时ꎬ不同摩擦副厚度钢片的临界厚度介于１.４ｍｍ
~２ｍｍ之间ꎬ在设计钢片尺寸时ꎬ钢片的厚度应不
低于２ｍｍꎬ适当增加钢片厚度能一定程度上降低
摩擦副的最高温度ꎬ但不宜过大ꎬ由图８中分析ꎬ较
为理想的钢片厚度为４ｍｍ~５ｍｍꎬ摩擦副的最高温
度较钢片临界厚度时的最高温度降低２０－４０ħꎮ０９
第１期戴维泽ꎬ等:基于ＡＢＡＱＵＳ的摩擦副最高温度研究
５㊀结㊀论
通过ＡＢＡＱＵＳ有限元仿真软件模拟摩擦离合器摩擦副在接合过程中的温升情况ꎬ对仿真结果进行观察分析ꎬ理论计算平均温升与仿真结果最高温升存在较大差异ꎬ得到摩擦副温度场最高温度的总结如下:
１)摩擦副在接合滑摩的过程中ꎬ由于应力及热膨胀等因素ꎬ导致摩擦副出现微小形变ꎬ导致摩擦副最外圈脱离滑摩状态ꎬ最高温度出现在仍处于滑摩状态区域的最大半径位置ꎻ
２)在滑摩功不变的情况下ꎬ钢片厚度的变化对温度场的影响更大ꎬ也更直接ꎬ适当增大钢片的厚度能有效地降低摩擦副的最高温度ꎻ而摩擦片厚度的变化对摩擦副的温度影响很小ꎬ且没有明显的变化趋势ꎮ
３)单位面积滑摩功率为５００Ｗ/ｃｍ２时ꎬ钢片厚度不应低于２ｍｍꎬ在４ｍｍ~５ｍｍ之间取值较为合适ꎬ摩擦副最高温度相较于钢片临界厚度时的最高温度降低２０－４０ħꎮ
参考文献:
[１]㊀顾荣华ꎬ褚超美ꎬ黄晨.湿式双离合器起步过程热负荷仿真研究[Ｊ].农业装备与车辆工程ꎬ２０１８ꎬ５６(７)ꎬ２７－３０. [２]㊀吕和生船用湿式多片摩擦离合器耦合分析及试验研究[Ｄ].
重庆:重庆大学ꎬ２０１０ꎬ５９－６４.
[３]㊀吴瑾ꎬ李乐ꎬ王立勇.基于ＡＢＡＱＵＳ的湿式离合器摩擦副温度场有限元模拟[Ｊ].设备管理与维修ꎬ２０１８ꎬ７:７６－７７. [４]㊀ＺａｇｒｏｄｚｋｉＰ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｓａｎｄｔｈｅｒ￣ｍａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｄｉｓｃｓｏｆａｍｕｌｔｉ－ｄｉｓｃｗｅｔｃｌｕｔｃｈ[Ｊ].
Ｗｅａｒꎬ１９８５ꎬ１１(３):２５５－２７１.
ＳｔｕｄｙｏｎＭａｘｉｍｕｍＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＰａｉｒＢａｓｅｄｏｎＡＢＡＱＵＳ
ＤＡＩＷｅｉ－ｚｅꎬ㊀ＳＨＩＹｕ－ｑｕａｎꎬ㊀ＹＩＮＸｕｎ－ｍｉｎꎬ㊀ＹＡＮＺｅ
(Ｎｏ.７０３ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＳＩＣꎬＨａｒｂｉｎ１５００７８ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｏｆａｗｅｔｆｒｉｃｔｉｏｎｃｌｕｔｃｈａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔꎬｎｅｇｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｇｒｏｏｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐｌａｔｅꎬｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｉｓｅｓｔａｂ￣ｌｉｓｈｅｄ.ＴｈｒｏｕｇｈＡＢＡＱＵＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅꎬｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｈｅａｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬｗｈｉｃｈｉｓｍｏｒｅｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎꎬａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｉｓｏｂｔａｉｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｇｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｖｅｒａｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅ￣ｓｕｌｔｓ.Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｗｈｙｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒａｐｐｅａｒｓｎｅａｒｔｈｅｏｕｔｅｒｍｏｓｔｒｉｎｇｉｓｔｈｅｓｍａｌｌｄｅ￣ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔａｎｄｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｈｅｅｔａｌｏｎｇｔｈｅａｘｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔｈａｓａｇｒｅａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｈｅｅｔｈａｓｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｐｒｏｐｅｒｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｓｈｅｅｔ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ｆｒｉｃｔｉｏｎｐａｉｒꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔꎻｍａｘｉｍｕｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
１９。