液体粘性调速离合器摩擦片变形失效研究

度场曲线 ,如图 2 所示 。
润滑油流量 Q = 120 L/ min , 压力 p0 = 0. 3 M Pa , 初始温度 T0 = 30 ℃。
由图 2 可以看出 , 摩擦片在半径 r1 →r3 →r4 →r2 方向上的温度场分布 ,存在严重的不均匀现象 。
2 摩擦片的热应力及变形分析
在沿径向非均匀温度场的作用下 , 摩片内部出热传导方程 :
5 5t
(ρ·c
·T
)
=
S
+
1 r
·55r
(
r
·k
·55
T r
)
+
55x
(
k
·55
T x
)
(2)
热力发电·2003 (12) ρϖ
技术交流
式中 :ρ为密度 ; c 为比热容 ; S 为源项 ; k 为传热系数 。 假设 ρ、c 、k 在温升过程中均为定值 ( 实际上 ρ、
c 、k 的变化对整个温度场的计算影响不大) ,则上式可
(1) 液体粘性调速离合器 ( HVD) 在接近同步传动 时的临界混和摩擦工况下长时间工作 , 摩擦副对偶片 沿径向的温度场分布 ,具有严重的不均匀性 。
(2) 在沿径向非均匀温度场的作用下 , 摩擦片沿 径向出现了非均匀热应力场 :周向应力 σθ 和径向应力 σr 。对总应力起决定性作用的是周向应力 σθ。因此 , 在研究摩擦片变形失效的问题时只需要考虑周向应力 σθ 的作用 。
将上一步中通过数值分析计算得到的摩擦片沿径
向瞬时温度场数据代入式 (6) 、(7) 中 ,按照数值分析中
的插值迭代方法 , 利用 MA TLAB 软件编制计算机程
序对式 (6) 、(7) 进行求解 ,可以得到摩擦片沿径向瞬时 周向应力场σθ 曲线和径向应力场σr 曲线 (图 3 、图 4) 。
1 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 10 s 2 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 10 s 3 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 20 s 4 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 20 s 图 2 摩擦片沿径向瞬时温度场分布计算曲线
以简化为 :
ρ·c
·55
T t
=
k ·552xT2
+
k r
·55r
(
r
·55
T) r
+
S (3)
上式的边界条件为 :
5 T ( x , r , t) 5r
= 0 x
= 0或 x
=
x3
(4)
初始条件 :
T ( x , r , t)
= T0
(5)
r = r1 , t = 0
另外 ,考虑到少量润滑油膜的冷却作用 ,引入修正系数
种工况分别重复试验 20 次 。加载试验完毕后 , 拆开 HVD 装置 ,取出摩擦副进行检查 。结果是 :在 1 、2 工 况下 ,摩擦副对偶片都没有发生翘曲变形 ;在 3 、4 工况 下则发生了明显的翘曲变形 , 尤其在工况 4 下试验的 摩擦副对偶片 ,已经发生了非常严重的碟形翘曲变形 , 并且由于变形过大导致在试验过程中发生了 HVD 装 置输出转速自动跟踪输入转速的现象 , 即达到了同步 传动 。这是因为对偶片在刚开始的几次试验中就已经
计算中所用到的实际 HVD 装置参数 : 主电 机功率 P = 300 kW , 转速 n = 1 470 r/ min ; 摩擦片 r1 = 85 mm , r2 = 140 mm , r3 = 98 mm , r4 = 136 mm , x1 = 1. 5 mm , x2 = 2. 25 mm , x3 = 3. 75 mm ;
ρω 热力发电·2003 (12)
1 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 10 s 2 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 10 s 3 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 20 s 4 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 20 s 图 3 摩擦片沿径向瞬时周向应力场 σθ 分布曲线
技术交流
1 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 10 s 2 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 10 s 3 —相对转速差 v = 60 r/ min ,时间 t = 20 s 4 —相对转速差 v = 30 r/ min ,时间 t = 20 s 图 4 摩擦片沿径向瞬时径向应力场σr 分布曲线
11 温度场分析
由试验可知 : HVD 摩擦副在正常调速传动工况 下 ,由于有润滑传动油膜 ,相对滑差产生的绝大部分热 量被润滑油带走 ,摩擦副最高温度在 80 ℃以内 ,不会 产生永久塑性变形 ;而当 HVD 接近同步传动时 ,摩擦 副之间的油膜被部分破坏 ,粉末冶金摩擦片与对偶片 之间存在干摩擦和液体粘性摩擦混和的临界摩擦 。此 时 ,摩擦片与对偶片之间部分区域长时间存在相对滑 动干摩擦 ,导致摩擦片部分区域温度过高 ,最终导致摩 擦片永久塑性翘曲变形 。图 1 为摩擦副临界摩擦示
∫r T ( r) ·r ·d r + [ T ( r) ]2
(6)
r1
∫ σr
=
α·E
r2
·
r2 r22 -
r21 r21
·
r2 r1
T(
r)
·r ·d r
+
∫r T ( r) ·r ·d r
(7)
r1
式中 α、E ———材料的线膨胀系数与弹性模量 ;
r1 、r2 ———摩擦片内 、外圆计算半径 。
意。
图 1 摩擦副临界摩擦示意
在已知摩擦副相对转速差 v 或角速度差ω 的情
况下 ,摩擦表面沿半径 r 方向产生的热流分布可以用
下式表示 : q ( t , r) = μ·p ·v = μ·p ·ω·r (1)
式中 :μ为动摩擦系数 ; p 为摩擦面上正压力 。
由此可知 ,HVD 摩擦副的温升遵循轴对称不稳定
按照热力学理论分析 , 摩擦副对偶片加温区域温 度越高的地方 ,热应力越大 ,塑性变形越严重 , 因此 , 由 图 2 、图 3 知 ,对偶片在 3 、4 两种工况下将发生碟形翘 曲变形 ,且工况 4 下对偶片的变形情况将远远大于工 况 3 。而在 1 、2 工况下 , 由于加温区域热应力未达到 材料的屈服极限 , 对偶片将不会发生碟形翘曲变形 。 由此 ,可以初步得到以下结论 :理论上 , HVD 工作时的 相对转速差越小 、在小转速差工况下工作时间越长 , 摩 擦副对偶片发生碟形翘曲变形的可能性越大 , 翘曲的 程度也越严重 。
(5) 尽量采用较小尺寸 、较大厚度 、较小粉末冶金 摩擦层宽度以及较合理润滑冷却油槽的摩擦副 , 避免 或减轻摩擦副变形 ,以延长 HVD 装置的使用寿命 。
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液体粘性 调速离合器摩擦片变形失效研究
魏建华1 ,陈 宁1 , 李福尚2 , 岳艺明1 , 吴根茂1
(11 浙江大学 , 浙江 杭州 ,310027 ;21 山东电力研究院 , 山东 济南 250001)
[ 摘 要 ] 运用热传导理论 ,对液体粘性调速离合器 ( HVD) 的热负荷进行了理论分析计算 ,得到了 HVD 摩擦片表面沿径向瞬时温度场和热应力场的分布曲线 ,进而分析得到 HVD 摩擦片的变形失效机理及其发 生变形的形式 ,并提出了有效的解决方案 。理论研究的结论和解决措施 ,得到了试验的验证 。
试验结果证明 , 本文前边所做的摩擦片沿径向瞬 时温度场及热应力场 、摩擦副对偶片变形实效形式的 理论计算和分析是正确的 。
为了进一步研究 HVD 摩擦副几何参数对对偶片 碟形翘曲变形的影响 , 选取了不同参数的摩擦副在相 同的试验装置 、相同的试验条件和相同的 4 种试验工 况下 ,进行与上述完全相同的试验研究 。试验结果表 明 :减小摩擦副外径 、增大芯片厚度 、减小摩擦材料层 宽度 、适当增多粉末冶金摩擦片上油槽 ,有利于减小对 偶片的碟形翘曲变形 , 即提高了其抗热变形的能力 。 这 一 结 论 , 对 HVD 装 置 的 设 计 具 有 理 论 指 导 意义 。
热力发电·2003 (12) ρξ
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发生了较大的翘曲变形 , 使对偶片与粉末冶金摩擦片 出现大面积接触 ,因而导致同步传动 。
4 结 论
1 —直流调速电机 2 —连轴器 3 —扭矩显示记录仪 4 —HVD 装置 5 —转速传感器 6 —液压泵等 (加载装置)
图 6 HVD 试验装置
试验结束后对偶片发生了明显的碟形翘曲变形 , 而且 ,在长时间严重干摩擦产生的巨大热量作用下 , 粉 末冶金摩擦片发生了被烧焦的现象 , 即在高温高压的 工况下 ,粉末冶金摩擦材料层发生了严重破损 。
现了复杂的应力状态 。文献[5 ]指出 ,相对于圆周方向
与轴向 ,温度场沿半径方向的不均匀性是最重要的和
危险的 。如果已知温度沿径向变化的函数为 T ( r) ,
则摩擦片周向力 σθ 和径向应力σr 可由下式计算 :
∫ σθ
=
α·E
r2
·
r2 + r22 -
r21 r21
·
r2 r1
T(
r)
·r ·d r +
[ 关键词 ] 液体粘性调速 ;摩擦片 ;翘曲变形 ;温度场 ;热应力场
[ 中图分类号 ] T K223. 7 : TH137. 3 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ]1002 3364 (2003) 12 0071 04
液体粘性调速离合器 ( HVD) 已经广泛应用于火 电厂锅炉给水泵和排粉机等大能耗设备的调速中 ,取 得了显著的节能效果 。摩擦片变形失效是 HVD 发生 故障的最主要形式之一 。HVD 在工作时 ,相对滑差 , 尤其是接近同步传动时的临界摩擦产生的大量热量 , 使摩擦副不可避免地产生热膨胀 。由于摩擦片各部分 温度变化不均匀 ,其内部将产生内约束 ,加之摩擦片还 存在外部的热变形约束条件 ,热膨胀变形不能自由进 行 。因此 ,摩擦片中将产生热应力 ,且热应力的大小在 片中各部分因温度及约束条件的不同而有着较大的差 别 。当某处热应力值增大到超过材料屈服强度时 ,材 料将出现不可逆塑性应变 ,摩擦片将产生永久变形 。 变形量达到一定程度 ,将导致 HVD 无法正常工作 。
图 5 HVD 摩擦片沿径向瞬时温度场 T ( r) 和瞬时周向应力场σθ 分布
3 HVD 摩擦副对偶片变形试验
HVD 试验装置如图 6 所示 。试验中 , 将液压泵加 载装置的溢流阀预先调定 , 保证 HVD 装置在不同的 试验工况下驱动相同大小的负载 。选取 4 组相同的摩 擦副 ,摩擦副的参数与在前面进行温度场分析时所使 用的参数完全相同 。分别按照工况 1～4 进行试验 , 每
(3) 在沿径向非均匀周向应力场 σθ 的作用下 , 摩 擦副对偶片在温度重新平衡后将发生碟形翘曲变形 。
(4) 相同参数的 HVD 摩擦副 ,工作时的相对转速 差越小 、在小转速差工况下工作时间越长 ,对偶片发生 碟形翘曲变形的可能性越大 , 翘曲的程度也越严重 。 推荐 HVD 装置不要在额定满转速的 95 %～100 %区 域内工作 。
对比图 3 、图 4 可以看出 , 径向应力 σr 比周向应力σθ 在数值上大约小 1 个数量级 , 对总应力起决定作用的 是周向应力 σθ。因此 , 在研究摩擦片变形失效问题的 时候可以忽略径向应力 σr 的影响 , 只需要从周向应力 σθ 的角度出发来探讨摩擦片变形的产生机理 。
HVD 摩擦片沿径向瞬时温度场 T ( r) 和瞬时周 向应力场 σθ 的分布示意如图 5 所示 。值得注意的是 , 周向应力 σθ 在加温区域带负号 , 为压缩应力 , 而在非 加温区域带正号 , 为拉伸应力 。如果加温区域热应力 达到材料的屈服极限 ,那么该区域就会发生塑性压缩 。 当温度重新平衡以后 , 在这些区域将会产生残余的拉 伸应力 ,引起材料的塑性变形 。加温区域温度越高的 地方 , 热应力越大 , 塑性变形越严重 ; 在非加温区域则 不会发生这种变形 。在图 5 所示的温度场和热应力分 布情况下 ,摩擦副对偶片加温区域的材料塑性变形 , 将 引起对偶片发生碟形翘曲变形 , 即对偶片沿径向发生 轴向变形使圆周平面变成浅碟形 。
a = a( v) 。
这是 1 个二维非稳态导热问题 。在边界条件 (4) 、
初始条件 (5) 下 ,将微分方程 (3) 离散化 。考虑到修正
系数 a 的影响 ,按照高斯 塞德尔迭代法 ,利用 MA T2
LAB 软件编制计算机程序对其进行数值解 。在实际
HVD 装置参数条件下计算得到摩擦片沿径向瞬时温