CN103353366B - 一种用于圆盘摩擦副接触压力动态测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于圆盘摩擦副接触压力动态测量方法,首先分析摩擦副的加工工艺要求及加载结构特性,选取与对偶片相同材料属性的销钉,然后根据加载结构的特点确定销钉在对偶片上的分布及与对偶片销钉孔的配合尺寸,通过对对偶片表面进行二次加工,获得与原对偶表面相似的属性,最后通过对预埋的销钉应变测量获得摩擦副在该区域的接触压力。本发明能够实现摩擦副接触压力的静动态测试,在于不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。
Description
技术领域
本发明一种用于摩擦副接触压力动态测量方法,属于履带车辆传动领域离合器摩擦副接触表面压力测量技术领域。
背景技术
高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键,其显著特征是大功率、高转速,摩擦副由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。Cu基粉末冶金摩擦副,包括制动器与离合器,工作在多应力复合环境中,作为三参数边界-压力、速度、温度是影响摩擦副摩擦特性的主要因素,也是摩擦副设计过程中的重要参考。现阶段速度和温度边界能够通过实验准确测量,而压力边界的测试一直是三边界测量中的重点和难点,动态测试更加困难,目前在湿式摩擦片的设计领域一直没有有效的并且可靠的摩擦副接触表面压力测量的成熟方法。对摩擦副进行三维建模模拟加压接触是获得接触压力的主要手段。现阶段采用的表面张贴薄膜传感器的方法由于改变了接触表面特性且不能进行动态测量,不能适应履带车辆摩擦副的动态设计,无法满足新型号新装置摩擦副的设计要求。
长期以来摩擦副表面压力测量困难主要集中在以下几方面:(1)测量元件参与接触,改变了接触表面的接触特性,摩擦副真实接触情况得不到反映,接触压力的测量不够准确;(2)无法实现对于摩擦副从分离、接触到滑摩的全过程的动态测量;(3)由于湿式摩擦副接触压力分布范围小,常规的压力感应纸方法精度低,很难有效反映出接触表面的压力分布状态。
发明内容
本发明的技术问题:是为了解决现有技术中存在的摩擦副压力边界条件无法测量的问题,提供一种用于圆盘摩擦副接触压力动态测量方法,有效的解决了当前摩擦副的接触表面压力分布无法真实获得的困难,在于不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。
本发明的技术解决方案:一种用于圆盘摩擦副接触压力动态测量方法,实现步骤如下:
步骤一、确定摩擦副工作状态下的工况条件及摩擦副的加载结构特点,获得摩擦副的几何尺寸,按照所要测量的摩擦副的工艺性要求确定摩擦副接触表面的粗糙度要求和表面平面度的加工要求;
骤骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的加载结构特点和摩擦副的几何尺寸确定摩擦副对偶片上的测量点的位置分布及测点数量N;
步骤三、根据步骤一分析获得的摩擦片表面粗糙度和平面度要求,结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片厚度、应变片尺寸及测量精度要求确定出销钉的直径D及长度L,确定方法如下:
销钉直径D<(R-r)/2,R为对偶片外径,r为对偶片内径;B/2<L<2B/3,B为对偶片厚度,粗糙度1.6平面度0.04的摩擦表面接触摩擦选用的D不应大于12mm,但是最小不应小于最小应变片的宽度b,选取的销钉的直径D范围为:4-12mm;确定了直径D及长度L的销钉嵌入到对摩钢片的预埋孔中;
步骤四、按照步骤三获得的销钉的尺寸加工销钉,并在销钉侧圆柱面上加工出一平面,用来粘贴应变片,加工平面的大小应大于应变片的大小,在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L上打预埋销钉的孔,在对偶片非接触面的销钉孔内攻螺纹,攻纹深度为B-L,选取过渡配合作为孔与销钉的配合尺寸公差;
步骤五、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构特点,加载特点等建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真,为接触压力测试提供理论基础和数值范围的预测;
步骤六、根据步骤五的仿真结果初步确定摩擦副接触表面的应力范围,并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,所述主要参数包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限,通过主要参数获得应变片选择的依据;
步骤七、通过步骤六选取并获得合适的测量应变片,将适应于仿真所得的应变量程的应变片贴于销钉预先加工的平面上,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接应变控制线路,并将销钉装入对偶片上对应的销孔中并用预紧螺钉固定;
步骤八、将装配完成的对偶钢片按照步骤一分析获得的摩擦副生产加工的工性要求对摩擦副接触表面进行二次加工,将摩擦副安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合时间不低于30min,磨合转速根据步骤一中分析获得的摩擦副的所处工况转速确定;
步骤九、将磨合充分的摩擦副进行静动态加载,接通电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,获取预埋销钉处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明采用预埋销钉的方法,实现摩擦副静动态接触压力的测量。
(2)本发明将测量元件埋于摩擦副内部,二次加工表面与原表面具有相似的特性,消除了测量元件本身对接触特性的影响。
(3)本发明可以实现对于摩擦副从分离、接触到滑摩的全过程的动态接触压力测量,本方法对摩擦副的动态接触特性能够有效地进行测量。
(4)本发明测量精度高,测量方法简单,测试点位布置方便,测试成本较低。
(5)本发明有效的解决了当前摩擦副的接触表面压力分布无法真实获得的困难,在于不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图;
图2为本发明中销孔分布工程图;
图3为本发明中销钉结构工程图,其中上图是主视图,下图是俯视图;
图4为本发明中销钉正等轴侧图;
图5为本发明中销钉装配示意图;
图6为本发明中由实际结构建立的有限元仿真模型;
图7为本发明中有限元仿真结果云图;
图8为本发明中销钉侧平面的贴片正视图;
1、防潮剂2、第一应变片3、引线4、透明胶纸(聚乙烯塑料薄膜)、5、接线端子、6锡焊接点,a、螺塞b、销钉c、第二应变片;
图9为本发明中销钉侧平面的贴片俯视视图;
图10为本发明中桥路连接图;
图11为本发明中测点的测量曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
理论研究和试验过程都发现Cu基粉末冶金摩擦副在接合过程和结合状态存在着接触压力分布不均匀(特别是径向)的特点,该特点的产生是由于加压结构的特点与接触表面特性共同决定的。本发明采用预埋销钉的方法,实现摩擦副静动态接触压力的测量。
为了实现摩擦副接触压力的测试,加工测试销钉若干,对于销钉尺寸和分布特点需要根据摩擦副的尺寸、加压特点、测试区域及精度的要求而定,销直径的大小直接关系到测量的接触区域的大小,布置原则应考虑到接触压力的实际变化规律。为了不影响Cu基粉末冶金摩擦片的摩擦表面的真实情况,在对偶钢片的表面上打若干个通孔,孔的末端攻螺纹,按照贴片的要求将应变片贴于钢销侧面,将钢销放入对偶钢片的通孔内,粘贴应变的测试销钉预埋在对偶片需要测量接触压力的位置,销钉和对偶片之间采用过渡配合,末端由螺塞固定。
将嵌入销钉的表面按对偶钢片按工艺要求进行二次加工(一般为磨削),使嵌入销钉的表面与原对偶表面具有相似的特性。将摩擦副装载到摩擦试验台,并接入多通道应变测量系统,针对不同工况下静动接触压力的测量,需要更改采样频率,以获得更理想的测量结果。
如图1所示,本发明预埋销钉应变测量的动态接触压力测试方法具体实现过程如下:
步骤一、确定需要测量的摩擦副的工艺性要求,如烧结材料要求、加工工艺要求,其中包括表面粗糙度、摩擦片表面的平面度,例如某摩擦副表面采用粉末冶金烧结工艺,摩擦表面磨削加工,平面度0.04,粗糙度1.6等。对于工艺性要求的分析主要是对偶片的制造加工工艺,为对偶片二次加工及销钉与销孔的公差配合的选择提供依据。以及确定出摩擦副工作状态下的工况条件(主要为载荷);摩擦片的几何尺寸(内外径,厚度,摩擦层厚度等)及加载结构特点,包括摩擦副工作时的支撑结构特点,加压结构特点,如采用哪种支撑,轴承位置以及加载力位置和方向等。摩擦副几何尺寸、工况条件和加载结构的分析主要对加载结构进行化简,用以完成摩擦副接触压力分布的初步分析,为仿真模型的建立提供必要的参数支持。
步骤二、根据步骤一中确定的摩擦副的加载结构的特点(摩擦副支撑结构特点、加载力位置和方向等)确定其对偶片(对偶片是与摩擦片相摩擦的结构,一般由钢制成,它与摩擦片共同组成了摩擦副)上的测量点的分布及测点数量,根据摩擦副尺寸和结构特点对测点数量和分布进行合理布置。对于支撑结构附近和距离加载点较近的区域应力较大,致使摩擦副变形明显,造成摩擦片与对偶片面压力分布不均明显的地方,应多布点,布点遵循周向均布原则,以减小周向的不均匀程度;周向和径向的测点和分布应根据测试需求而定,径向压力测试主要针对静力测试,而考虑周向压力分布的测试往往要实现动力学测试的效果。在压力梯度较大的区域,应该考虑多布置测量点,布点要求尽量满足均布的原则。布点的疏密应根据摩擦片几何尺寸和测量的精细程度确定,大尺寸摩擦副可多布点,布点越多测量越精细,布点是以了解摩擦片表面的压力分布状态为目的,没有固定的数目,一般不超过64个。例如对于中心轴承支撑,中心加载的摩擦副结构,对于对偶片的布点应在内圈多布点;
步骤三、按结构尺寸及照精度要求确定出销钉的直径D及长度L,销钉的材料与热处理特性与对偶钢片一致。完成了摩擦副测点数量和分布特性之后,需要根据测量区域的大小和测量精度确定销钉的直径D及长度L,销钉的直径有一定的限制,销的直径的大小直接关系到表面的应变测试的区域大小及精度范围。但过细的销钉可能带来加工难度较高、配合尺寸不准确、残余应力过大等不良后果。若采用过粗的销钉,测点的数量就会受到一定的限制,测量的精度也会下降。销钉的材质与对摩钢片的材质必须一致,这样才能最为有效真实地反映出摩擦片表面的压力分布情况。
按照摩擦片表面粗糙度和平面度、接触面的尺寸、对偶片厚度、应变片尺寸及测量精度要求确定出销钉的直径D及长度L,确定方法如下:
一般销钉直径D<(R-r)/2,R为对偶片外径,r为对偶片内径;B/2<L<2B/3,B为对偶片厚度,一般1.6粗糙度0.04平面度的摩擦表面接触摩擦选用的D不应大于12mm,接触程度越好选用的D越小,但是最小不应小于最小应变片的宽度b。选取的销钉的直径D范围一般为:4-12mm;
需要测5毫米点接触区域的接触压力,对偶片厚度为15mm,L取12mm,0.8粗糙度,0.04平面度的摩擦副,R为120mm,r为100mm,可选D为5mm。销钉的材质与对偶盘(摩擦副包括摩擦盘和对对偶盘)与的材质一致;确定了直径D及长度L的销钉可以嵌入到对摩钢片的预埋孔中;
步骤四、加工销钉需要粘贴应变片c的平面,在销钉b圆柱面加工出一平面,用来粘贴应变片c,加工平面的大小应大于应变片的大小,在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L上打预埋销钉的孔,并攻螺纹,如图5所示,其中a为螺塞,b为销钉,c为应变片。攻纹深度及螺塞a的长度应为L螺=L片-L销,其中L片为对偶钢片的厚度,L销为销钉b的长度与选取过渡配合作为孔与销钉b的配合尺寸公差;
步骤五、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构,加载特点以及测点分布及尺寸等各项参数建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,具体方法为:
在ANSYS或者ABQUS中按照摩擦副的支撑结构,尺寸要求等建立三维模型,按照摩擦副的材料属性赋予三维模型材料单元属性,按照加载结构特点按照载荷大小加载,获得稳态有限元分析结果,选取对偶盘接触表面的节点处的应力与应变的值,作为三维仿真的计算结果。模型的建立及有限元的分析是为了获取摩擦副接触表面的压力分布的大致范围,为后续应变片的选择提供初步的依据。
步骤六、从三维模型进行多维压力载荷的有限元仿真结果,初步确定摩擦副接触表面的应力应变范围。应力应变的选取点在单元的节点处,并沿着径向分布,所获取的数据范围即为压力的范围。并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限,依据参数选取合适的应变片,选择应变片的规格和形式时,应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变,在构件应力变化范围较大时,一般选用小标距应变片。(具体选择方法详见应变片选择相关书籍)。
步骤七、将适合的电阻应变片贴于销钉的平侧面,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接线路,B、D端分别于接线端子5相连的导线相连接,A、C端分别接于外部稳定5V电压,即保证A、C端之间的电压为稳定的5V电压。其电路的计算公式为:
如果有R1R3=R2R4则E=0,这是应变片的调零电路,当电阻在形状改变时其电阻值发生改变后,电压的值的改变量为:
通过上式可以求出电阻的改变值,并进而根据电阻本身的阻值特性求出应变量的值,并再通过摩擦副材料特性计算出压力的值。然后将销钉装入对偶钢片上对应的销孔中,用螺塞预紧,完成对偶片的装配;
步骤八、将装配完成的对偶片按照摩擦副在工程上的工艺性要求对其接触表面进行二次加工,目的是降低预埋销钉对接触表面特性的影响,然后将埋有销钉的对偶片与摩擦片安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合时间不低于30min,磨合转速根据摩擦副的所处工况转速确定;
步骤九、将磨合充分的摩擦副按照实际工况条件进行加载,加载环境可以为静态的压力测试,也可以为动态压力测试(所谓动态是指摩擦盘与对偶盘相对滑动),在进行动态压力测试时应变片的连接回路上需加上电刷,用以防止回路电线的缠绕,加载压力与实际工况载荷相一致,打开电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,采集信号并获取摩擦表面的各个测点的应力应变状态。各个测点的应力应变测量值直接反映了摩擦副接触表面的接触状态,接触压力较大的地方应力应变的测量值相对较大,反之接触不充分的地方,应力应变的测量值相对较小,该方法可以有效的测量摩擦片从分离状态到接触状态,再到摩滑状态的实时压力状态的测量与监控。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的实现过程。
步骤一、确定需要测量的摩擦副的工艺性要求,如烧结材料要求、加工工艺要求,其中包括表面粗糙度、摩擦片表面的平面度。摩擦材料为Cu基粉末冶金烧结材料,选取内径为Ф160mm,外径为Ф200mm的摩擦副作为研究对象,对偶片的厚度为10mm,材料为45#钢,表面淬火处理,表面加工工艺为精车后粗磨,粗糙度0.8,平面度为0.04。材料为30CrMnSiA,热处理特性为调制,硬度为HRC55-60。为了避免二次加工时材料尺寸改变,据此在钢片加工过程为最后一道工序磨削留出余量,对偶片的厚度为10.2mm。液压加载,压力范围为0-20000N,工作温度不超过300K。
步骤二、根据不同摩擦副结构的特点确定测量点的分布及测点数量。
为了测量径向压力分布的状态,在径向上选取测点,如假设接触压力在径向上满足线性分布,则在靠近内外径处选取两个测点即可满足测量要求。若接触压力的径向分布复杂,则需要选择多个测点,选取的测点分布如图2所示。
步骤三、按照精度的要求确定出销钉的直径D及长度L,销钉的直径有一定的限制,选择30CrMnSiA材料直径D=4mm,长度L=5mm。表面粗糙度为1.6,调质热处理,HRC55-60。示意图如图3所示,图4为正等轴侧图。
步骤四、在钢片上打孔、孔径基本尺寸为4mm,孔深5mm,攻螺纹,螺纹的为M4,由攻纹深度L螺=L片-L销可知攻螺纹深度为5mm。孔与销钉的配合尺寸应选取为过渡配合H7/k6,如图5所示,a螺塞b销钉c应变片均位于对偶盘内部,对偶片通孔位于销钉位置的为光孔,位于螺塞位置的为螺纹孔,螺塞对销钉起紧定作用,应变片贴于销钉的平侧面。
步骤五、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构,加载特点等建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,如图6所示。模型的边界条件应与实际条件相近,根据支撑结构确定模型的约束条件,根据工况(静摩擦、滑动摩擦等)确定接触表面的接触类型,以及单元的选择和载荷施加的大小等。
步骤六、对三维模型进行多维压力载荷的有限元仿真,初步确定摩擦副接触表面的应力应变范围。应力应变的选取点在单元的节点处,并沿着径向分布,所获取的数据范围即为压力的范围。仿真结果如图7所示,通过取点,如表1所示,可知在摩擦表面径向分布的压力。
表1沿径向分布的节点面压力结果
并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,依据参数选取合适的应变片,应变片的类别为箔式,基底为玻璃纤维增强合成树脂,敏感栅长度选用3mm,结构形式为AA标准电阻为350Ω,工作最高温度80℃,对于温度自补偿或弹性模量自补偿。
步骤七、将适合的第一应变片2贴于销钉的平侧面,贴片过程如图8所示,贴片采用502胶水在测点位置和应变片的底基面上,涂上薄薄一层胶水,一手捏住第一应变片2引出引线3,把应变计轴线对准坐标线,上面盖一层聚乙烯塑料薄膜4作为隔层,用手指在应变计的长度方向轻轻滚压,挤出片下气泡和多余的胶水,直到应变计与被测物紧密粘合为止,最后在其表面涂盖一层防潮剂1作为保护。
桥接线路如图9所示,通常静应变测定用双芯多股平行线。焊接导线前,先用万用电表接于接线端子5的两端,检查电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,通过接线万用表的阻止显示为352Ω,说明应变片贴片成功,检查导线没有断路,然后在每个测点应变片的接线端子两端贴上号码标签,以示区分避免测点多时造成差错,使用锡焊将接线端子与导线相连接,桥接线路如图10所示,B、D端分别于接线端子5相连的导线相连接,A、C端分别接于外部稳定5V电压,即保证A、C端之间的电压为稳定的5V电压。
步骤八、将装配完成的对偶钢片按照摩擦副的生产工艺要求对其接触表面进行二次磨削加工,将对偶钢片的表面粗糙度加工到0.8,然后将埋有销钉的对偶钢片与摩擦片安装到MM6000摩擦磨损试验机上进行磨合,启动设备控制转速为1500r/min,时间为30min,加载压力为1MPa,冷却流量为4ml/mm2s。
步骤九、按照实际工况条件进行加载,加载压力为:0.886MPa,调零电路,调零电路的计算公式为:
如果有R1R3=R2R4则E=0,这是应变片的调零电路,当电阻在形状改变时其电阻值发生改变后,电压的值的改变量为:
通过测量电压值的变化完成对压力状态的测量,由电阻应变仪将电压值传输给信号采集分析器,由信号采集分析系统将相应的电压变化转化为应变,并通过材料弹性模量E计算出应力。获得的数据结果曲线如图11所示,随半径的增大,测点所测出的应力值呈下降趋势,这是加载结构对于压力接触状态的影响,对于曲线内的微小波动,则体现出了由于表面加工工艺性特点(粗糙度、平面度)的影响造成的。
通过实验测试可知本发明可以有效的测量摩擦副静动态接触压力,实验结果对仿真结果进行了初步验证,为摩擦副压力边界条件的精确获取及动态设计方法提供了试验支持。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (1)
1.一种用于圆盘摩擦副接触压力动态测量方法,其特征在于实现步骤如下:
步骤一、确定摩擦副工作状态下的工况条件及摩擦副的加载结构特点,获得摩擦副的几何尺寸,按照所要测量的摩擦副的工艺性要求确定摩擦副接触表面的粗糙度要求和表面平面度的加工要求;
骤骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的加载结构特点和摩擦副的几何尺寸确定摩擦副对偶片上的测量点的位置分布及测点数量N;
步骤三、根据步骤一分析获得的摩擦片表面粗糙度和平面度要求,结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片厚度、应变片尺寸及测量精度要求确定出销钉的直径D及长度L,确定方法如下:
销钉直径D<(R-r)/2,R为对偶片外径,r为对偶片内径;B/2<L<2B/3,B为对偶片厚度,选取的销钉的直径D范围为:4-12mm;确定了直径D及长度L的销钉嵌入到对对偶片的预埋孔中;
步骤四、按照步骤三获得的销钉的尺寸加工销钉,并在销钉侧圆柱面上加工出一平面,用来粘贴应变片,加工平面的大小应大于应变片的大小,在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L上打预埋销钉的销钉孔,在对偶片非接触面的销钉孔内攻螺纹,攻纹深度为B-L,选取过渡配合作为孔与销钉的配合尺寸公差;
步骤五、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构特点,加载结构特点建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,对三维仿真模型进行多方向压力载荷的有限元仿真,为接触压力测试提供理论基础和数值范围的预测;
步骤六、根据步骤五的仿真结果初步确定摩擦副接触表面的应力范围,并根据此应力范围选择适合的电阻应变片,其主要参数包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限;
步骤七、通过步骤六选取并获得合适的测量应变片,将应变片贴于销钉预先加工的平面上,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接应变控制线路,并将销钉装入对偶片上对应的销钉孔中并用预紧螺钉固定;
步骤八、将装配完成的对偶片按照步骤一分析获得的摩擦副生产加工的工艺性要求对摩擦副接触表面进行二次加工,将摩擦副安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合时间不低于30min,磨合转速根据步骤一中分析获得的摩擦副的所处工况转速确定;
步骤九、将磨合充分的摩擦副进行静动态加载,接通电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,获取预埋销钉处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。
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