摩擦元件結(jié)合過程壓力分布測(cè)試

曾 紅，祁 媛，王延忠，吳向宇

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院;2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

汽車機(jī)械

摩擦元件結(jié)合過程壓力分布測(cè)試

曾 紅1，祁 媛1，王延忠2，吳向宇2

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院;2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

針對(duì)摩擦元件使用中壓力分布不均，內(nèi)環(huán)磨損嚴(yán)重的情況，提出摩擦元件在結(jié)合過程中的壓力分布測(cè)試方法。對(duì)摩擦元件進(jìn)行壓力標(biāo)定試驗(yàn)、摩擦元件靜態(tài)壓力試驗(yàn)、摩擦元件靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，通過對(duì)數(shù)據(jù)提取、統(tǒng)計(jì)、分析得出摩擦元件在結(jié)合過程中的壓力分布數(shù)據(jù)，與摩擦元件使用中磨損情況對(duì)比，初步掌握了摩擦元件在結(jié)合過程中壓力分布情況，為摩擦元件加壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

摩擦元件;壓力分布;測(cè)試方法

1 摩擦元件面壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案確定

摩擦元件接觸過程中摩擦片與摩擦鋼片結(jié)合時(shí)，摩擦鋼片受壓之后會(huì)發(fā)生形變，通過測(cè)摩擦鋼片在軸向、徑向上的變形來判斷鋼片表面的承受壓力及壓力分布情況。針對(duì)這種實(shí)驗(yàn)理論提出3種實(shí)驗(yàn)方案分別為銷釘測(cè)試法、通孔測(cè)試法、盲孔測(cè)試法，三種測(cè)試方法示意圖為圖1，圖中黑色區(qū)域?yàn)橘N測(cè)試應(yīng)變片處。

圖1 銷釘測(cè)試法、通孔測(cè)試法、盲孔測(cè)試法示意圖

采用φ85試環(huán)對(duì)三種測(cè)試方法進(jìn)行可行性測(cè)試，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

銷釘測(cè)試法可測(cè)出數(shù)據(jù)，但銷釘在孔中旋轉(zhuǎn)角度之后測(cè)不到數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，這說明此種試驗(yàn)方法對(duì)銷釘與摩擦元件的配合要求極高。

通孔測(cè)試法可測(cè)出數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中摩擦鋼片厚為4 mm對(duì)應(yīng)變片的大小有要求，此種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)貼片工藝要求高，通孔測(cè)試方法對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼片測(cè)試表面破壞也較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼片表面的完整性也有影響;

盲孔測(cè)試法可測(cè)出數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中反復(fù)測(cè)試也比較穩(wěn)定，對(duì)于加工工藝及貼片工藝要求相對(duì)較低，測(cè)試面保持完整平面。對(duì)比三種實(shí)驗(yàn)方案盲孔測(cè)試方法更能高效、簡(jiǎn)易、準(zhǔn)確地測(cè)試出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證實(shí)驗(yàn)的可行性。

2 摩擦元件試驗(yàn)裝置連接

為了保證試驗(yàn)精確性在試驗(yàn)前對(duì)樣件的處理、儀器的連接、試驗(yàn)儀器的調(diào)試都有一定的要求。

本試驗(yàn)采用盲孔測(cè)試法，在摩擦元件的背面打若干個(gè)平底盲孔，孔的位置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在周向上能基本測(cè)量出整環(huán)的壓力分布情況，徑向上能基本測(cè)量出環(huán)帶之間的差別。對(duì)于徑向和周向上孔的位置精度的要求一般控制在±0.2 mm以內(nèi)，并且還需要考慮測(cè)量設(shè)備的精度和測(cè)量能力等，打孔示意圖見圖2。

圖2 打孔示意圖

根據(jù)摩擦元件的尺寸和測(cè)試精度的要求，孔的尺寸有一定的限制，孔的直徑做得越小，孔對(duì)于接觸表面壓力影響的程度就越小，但另一方面孔的加工難度也越高，而且采用的應(yīng)變計(jì)也越精小，貼片難度也越高，根據(jù)試驗(yàn)精度選擇孔直徑及應(yīng)變計(jì)大小，本試驗(yàn)打孔大小為直徑8 mm，按照貼片的要求將應(yīng)變片貼于盲孔底部平面上。

儀器的連接過程從應(yīng)變片引線開始，將引線通過引線槽接入到應(yīng)變調(diào)理器上，應(yīng)變調(diào)理器通過數(shù)據(jù)傳輸線同信號(hào)采集儀相連，應(yīng)變調(diào)理器向應(yīng)變片供電，應(yīng)變片形狀的改變從而影響應(yīng)變片電阻的變化，電流值將發(fā)生變化，信號(hào)采集儀將這種變化采集下來，通過LAN線將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過采集軟件，將信號(hào)進(jìn)行解讀獲取應(yīng)變測(cè)量值，圖3為連接示意圖。試驗(yàn)儀器連接好之后機(jī)械反復(fù)加載，采集數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，證明調(diào)試成功。

圖3 試驗(yàn)連接示意圖

試驗(yàn)加載及轉(zhuǎn)速設(shè)置:對(duì)于試驗(yàn)?zāi)Σ猎募訅捍螖?shù)及加壓工況的設(shè)定需要考慮到數(shù)據(jù)精確性、應(yīng)變片的溫度臨界值及試驗(yàn)件的損壞臨界值等因素;對(duì)于數(shù)據(jù)的精確性及應(yīng)變片的溫度臨界線考慮每個(gè)工況下至少反復(fù)加載10次壓力，通過反復(fù)加壓得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)可較為精準(zhǔn);對(duì)于試驗(yàn)件的損壞臨界值考慮，只取低工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)。標(biāo)定試驗(yàn)范圍在1～16 MPa，每次增加1 MPa，同一工況下反復(fù)加載10次;靜態(tài)壓力試驗(yàn)范圍為1～5 MPa，每次增加1 MPa，同一工況下反復(fù)加載5次;靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)范圍為1～5 MPa，轉(zhuǎn)數(shù)為5 r/min，每次增加1 MPa，同一工況下反復(fù)加載5次。

3 摩擦元件面壓分布試驗(yàn)方法

壓力分布獲取方法:對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)得出各點(diǎn)標(biāo)定曲線，對(duì)比標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)與摩擦元件靜態(tài)壓力試驗(yàn)與摩擦元件靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定靜態(tài)壓力、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)狀態(tài)各工況下各點(diǎn)的面壓，獲得摩擦元件在結(jié)合時(shí)接觸壓力分布情況。

試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段為標(biāo)定試驗(yàn)，第二階段靜態(tài)壓力及靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

第一階段的標(biāo)定試驗(yàn)采用三點(diǎn)標(biāo)定的方法對(duì)三處6個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定。在摩擦元件的背面加同樣大小的鋼片，在鋼片接觸摩擦元件一側(cè)固定三個(gè)尼龍材料，位置與打孔位置統(tǒng)一且要求覆蓋打孔位置，操作離合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)鋼片加壓，在標(biāo)定工況下采得圖像數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)之后得出面壓與應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的標(biāo)定曲線圖4。

圖4 6個(gè)點(diǎn)的標(biāo)定曲線

進(jìn)行第二階段的靜態(tài)壓力及靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，得出摩擦元件在靜態(tài)壓力工況、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)工況下各點(diǎn)的應(yīng)變值，對(duì)應(yīng)標(biāo)定曲線得出摩擦元件表面的面壓分布情況。去除固定尼龍材料的鋼片，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Σ猎虞d。

根據(jù)試驗(yàn)采集圖像可得出，在靜態(tài)壓力試驗(yàn)中5次加載得出的應(yīng)變值基本穩(wěn)定，數(shù)據(jù)精度在85% 以上滿足試驗(yàn)精度要求。在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中5次加載均有振動(dòng)，此振動(dòng)為摩擦片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)每一時(shí)刻與摩擦元件接觸位置不同，同時(shí)摩擦元件表面并非絕對(duì)平面，由于加工熱處理等使表面變形，因此在扭轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)圖像振動(dòng)曲線，在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中5次加載得出的數(shù)據(jù)也基本穩(wěn)定，數(shù)據(jù)精度滿足試驗(yàn)精度要求。

對(duì)靜態(tài)壓力試驗(yàn)、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)得出的每種工況下的應(yīng)變平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表1。對(duì)應(yīng)標(biāo)定值曲線得出靜態(tài)壓力試驗(yàn)、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)面壓曲線如圖5。

表1 靜態(tài)壓力試驗(yàn)、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)各工況下對(duì)應(yīng)面壓值匯總表

圖5 兩組試驗(yàn)面壓分布曲線

4 摩擦元件壓力分布試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)在機(jī)加壓力增加時(shí)兩組試驗(yàn)各個(gè)孔承載面壓同時(shí)增加，增加趨勢(shì)呈線性趨勢(shì);

(2)通過兩組試驗(yàn)的分布曲線圖圖6分析，靜態(tài)壓力及靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)下三處均是內(nèi)點(diǎn)承受面壓大外點(diǎn)承受面壓小，且差值均在5～8 MPa之間，內(nèi)環(huán)帶為主承壓環(huán)帶;

(3)比較三點(diǎn)承載面壓情況，2點(diǎn)的承載面壓值最大，1點(diǎn)和3點(diǎn)的承載面壓值基本一樣且小于2點(diǎn)的承載面壓，這是由于鋼片翹曲造成，在2點(diǎn)處翹曲變形較大，在機(jī)加壓力逐漸增加時(shí)2點(diǎn)的面壓變化值很小基本趨于穩(wěn)定，而1點(diǎn)和3點(diǎn)的面壓變化值比2點(diǎn)大，這說明在機(jī)加壓力逐漸增大時(shí)壓力克服鋼片變形的影響;

(4)在靜態(tài)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看出三處內(nèi)孔在7 MPa以上，外孔在5 MPa以下，在靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看出三點(diǎn)內(nèi)孔在7MPa以上，外孔在5 MPa以下，比較兩組試驗(yàn)分析得出兩組實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的三處變化范圍基本一樣，兩組試驗(yàn)可相互驗(yàn)證。

在實(shí)際摩擦元件的應(yīng)用中，多數(shù)摩擦元件失效形式為內(nèi)環(huán)帶磨損嚴(yán)重導(dǎo)致破損，此試驗(yàn)結(jié)果分析得出的結(jié)論也可證明內(nèi)環(huán)承壓較大，此試驗(yàn)方法可得出摩擦元件面壓分布情況，為提高摩擦元件的使用壽命、改善摩擦元件的結(jié)構(gòu)、掌握摩擦元件摩擦性能等提供試驗(yàn)依據(jù)。

［1］ 邢玉濤.全封閉濕式多盤制動(dòng)器的數(shù)值模擬分析［D］.青島大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［2］ 王曉東.基于ANSYS的高速列車制動(dòng)盤數(shù)值模擬［D］.西南交通大學(xué)研究生學(xué)問論文，2006.

［3］ 魏濤.基于ANSYS的盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)分析及振動(dòng)噪聲研究［D］.吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［4］ 王宏斌.基于CAD/CAE技術(shù)的盤式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究［D］.上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2011.

The pressure distribution test of friction element combination process

ZENG Hong1，QI Yuan1，WANG Yan－zhong2，WU Xiang－yu2
(1.College of Mechanical Engineering and Automation，Liaoning，Liaoning University of Technology 2.School of Mechanical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics)

In view of the friction element used in pressure distribution，the inner ring wear，this article is put forward in combination with the pressure distribution in the process of testing methods.Pressure calibration test was carried out on the friction element，friction element static pressure test，friction element static torsion test.By analyzing the data extraction，statistical analysis，I have made a conclude that the friction element in combination with the pressure distribution in the process of data，and the friction abrasion of components used in the comparison.I have mastered the friction element in the process of combining pressure distribution preliminarily，which provides the basic data for the friction element pressurized structure optimization design.

friction element;pressure distribution;test method

U415.5

C

1008－3383(2015)10－0148－02

2015－03－12