法向压力对销-盘在电磁场环境下耦合温度场的影响

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E仃ect of Normal Pressure on the Coupling Temperature Field ofPin.Disc Pairs in Electromagnetic EnvironmentXu Wei Dong Lin Zheng Fengcheng Tian Xingchun Wen Qiao Tao Jingqing(School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu Sichuan610039，China)Abstract：Based on the FE software ANSYS，the coupled temperature fields of pin-on-disc friction pair were simulatedand analyzed in pin-disc friction rig.The effects of diferent normal pressure on friction heat and coupled magnetic heatwere studied under electromagnetic environment.The resuhs show that the temperatures of pin-on-disc friction pair withmagnetic field are higher than that without magnetic field，under the constant relative displacement，velocity and norm alpressure.The mimum coupled temperature is increased slowly and then quickly with the increasing of norm al pressure，under the constant magnetic field intensity and velocity.The maximum coupled temperature is decreased with the increas-ing of relative velocity，when the relative sliding distance and magnetic field intensity are constant。

Keywords：electromagnetic field；normal pressure；coupling temperature；friction and wear随着科学技术的发展和工业自动化的提高，尤其是电磁技术应用范围的扩大，实际生活中越来越需要大量、大规模的电气元件和电气设备，并且它们中的摩擦副是在电磁工况下服役u 。由于实际工况中的摩擦副的大部分材料为钢铁，而钢铁材料具有铁磁性，因此钢铁材料的诸多特性会在磁场的作用下发生变化 ，例如提高对磨屑的吸附能力和氧化能力以基金项 目：四川I受出青年学科带 头人培育计划项 目(2011JQO039)；西华大学人才培养与引进项 目 (R0920203)；西华大学制造与 自动化省高校重点实验室开放研究基金项 目(SZJJ2011-014)。

收稿日期：2012-12-07作者简介：徐伟 (1985-)，男，硕士研究生。

通讯作者：董霖 (1973-)，男，工学博士，副教授，主要从事载流摩擦磨损研究 .E-mail：donglin###mail.xhu.edu.CB。

及提高铁磁性材料强度等 。温度是影响载流摩擦磨损的-个重要因素，而摩擦副之间的法向压力又是影响温度的-个重要工况参数，但国内外科研工作者对法向载荷的研究并不全面 。

本文作者基于 ANSYS有限元软件，建立了销 -盘摩擦副在直流磁场涡流效应产生的热和摩擦热耦合作用下的二维模型 ，并模拟计算出温度场，初步研究了模型在不 同速度、法 向压力下的温度变化情况。

1 有限元建模分析1.1 模型的建立及实验过程分析以销 -盘摩擦机为实际对象，建立了如图1(a)所示销与盘模型。销 -盘式摩擦副中销的电磁场感应热问题，实际上电磁尝温度场在圆周方向上是对称分布的，为了使问题易于处理，但不失去其意义，对润滑与密封 第 38卷销.盘摩擦副做了以下假设：(1)由于销-盘式摩擦机是做匀速圆周运动，可以近似地把做圆周运动的三维模型简化为沿直线运动的二维模型，如图1(b)所示；(2)销-盘各层材料的参数均匀，且是各向同性的；(3)忽略涡流导致的功率损失以及外泄等导致的热量损失；(4)在工件端部存在的磁力线逸散所产生的边缘效应，是不容忽视的，必须考虑在半径等常量分布问题 ；(5)计算热结构分析时，磁场产生的内部热源赛似平均值；(6)机械摩擦热、磁场热产生的焦耳热全部被摩擦偶件所吸收；(7)计算接触电阻时，每个单元接触面的面积都是相同的。

l(a)Three dimensional model (b)Two dimensional model图1 销盘模型和二维简化模型Fig 1 Pin·on-·disc model and two·-dimensional simplifed model1.2 有限元模型及 网格划分销 -盘式摩擦机在模拟过程中，为了便于进行电磁热、机械摩擦热的耦合模拟，本次试验主要采用平面问题求解方法，按照比例尺寸建立模型如图1(b)所示。销和盘均采用不锈钢材料，销长度为 10 min，直径为5 mm；盘厚度为 10 mln，直径为 50 mm。当对销作磁场分析时采用单元 PLANE53，为使模型的计算收敛于精确解，对靠近接触面区域细分网格，控制网格密度，对销-盘摩擦副做热-结构分析时，网格划分后模型如图2所示。

图2 二维网格划分模型Fig 2 Mesh 2-D model1.3 实验参数及边界条件1.3.1 实验参数销 -盘摩擦副中的销、盘所采用的不锈钢材料的参数见表1 。实验时相对位移取45 mm，磁场强度取 8 000 A/m，在不 同的相对滑动速度 (50～110km/h)和不 同的法 向压力 (20～100 N)下，利用ANSYS对耦合温度厨行分析。

表 1 材料的性能Table 1 Properties of materials1.3.2 耦合边界条件对于温度场微分控制方程中，为了获得确定的解，需要给出确定的解的条件，即微分方程的初始条件以及边界条件。下试样盘被约束所有的自由度，上试样销的上表面被施加压力载荷，模型初始温度为室温 ( ：20℃)，相对滑动距离-定，试样接触面的第二类边界条件 为：l- lq (1)ar l， 因为在滑动过程中，摩擦热是以热流密度的形式进入接触摩擦副 的，且摩擦热流密度为 已知。对于面-面摩擦副来说，两个物体由于摩擦产生的总热流率由下式 计算：qfFHTG'v (2)其余表面第三类边界条件为：. .aSa，I， ( - )l， (3)式中：k为材料的导热率；q 为摩擦热热流密度；FHTG为摩擦生热的能量转换因子 (默认为1)； 为等效摩擦应力； 为两物体的相对滑动速率 (在本试润滑与密封 第 38卷裔赠Ⅱ媵键堪20 4O 60 80 100 120法向雁力FJN图4 不同法向压力和速度条件下的耦合最高温度Fig 4 Coupled temperature under diferent normalforce and velocity图5示出了磁场强度为8 000 A/m，不同相对滑25.624.824怠23.2翟2.4嚼 21.620.82020 40 60 80 100 120法向压力FJN(a)//-80ooAim。v50kmih20 40 60 80 100 120法向压力FⅡ，N(c)H8000A/m.v90km/h动速度和法向压力下，不锈钢材料的最高耦合温度、最高电磁温度及最高机械摩擦温度曲线∩见，最高电磁温度随着法向压力的增大而降低 ，纯机械摩擦最高温度随着法向压力的增大而升高，而耦合最高温度随着法向压力的增大先缓慢后快速地升高，原因是在这个过程中磁场与机械摩擦热共同影响耦合温度常在相同的滑动摩擦位移时，随着速度的提高，相对运动时间减少，则最高电磁温度值越低；纯机械摩擦热在摩擦因数不变的条件下，随着法向压力的增大而增大；对于耦合温度，相对滑动速度取值越来越大时，耦合最高温度随着法向压力的增大呈逐渐升高的趋势，原因是在法向压力为20～40 N时，耦合最高温度受机械摩擦热的影响较大 ，在法向压力为40～100N时，耦合最高温度受磁场的影响较大。

赠键20 40 60 80 100 12O法向压力F.，N(b)日-8000A/m.v70km/h法向压力F。，N(d) ；8000A/m.V-110km/It图5 最高温度对比曲线图Fig 5 Maximum temperature conary3 结论(1)在相对位移、速度和法向压力-定的条件下，有磁场条件下摩擦副试样的温度高于无磁场条件下的温度。

(2)在相对滑动位移和磁场强度-定时，最高耦合温度随着相对运动速度的增大而降低。

(3)在-定的磁场强度和速度下，最高电磁温度随着法向压力的增大而降低，纯机械摩擦最高温度随着法向压力的增大而升高，而耦合最高温度随着法向压力的增大先缓慢后快速地升高。