液粘离合器摩擦热弹性不稳定性及其热失效机理研究

Hydro-viscous clutch is widely applied to the high-power mechanical equipment for speed regulation and soft starting. It is an efficient method to energy-saving, reduce consumption, and improve the reliability of equipment. However, the local high temperature of friction pairs and even thermal failures such as ablation or warpage deformation will occur because of a large number of frictional heat dissipation. Our pre-research demonstrates that the non-uniform temperature field and thermal buckling deformation of friction pairs are the direct causes of thermal failure. But the transient thermoelastic instability and critical conditions of thermal failure which are caused by dynamic change of control pressure and non-uniform contact pressure are difficult to be predicted. Therefore, a three-dimensional finite element model for thermoelastic instability of friction pairs will be established. The perturbation growth coefficient and critical velocity in the main mode will be explored. The mechanism of hot spot and dynamic distribution of temperature field under dynamic change of control pressure will be revealed. The effect of thermoelastic instability on thermal buckling characteristics will be solved. Finally, the distribution and fluctuation characteristics of temperature will be got by experimental research. Through the project, it is expected to reveal the mechanism of transient thermoelastic instability and local high temperature, clarify the coupling mechanism of non-uniform distribution of temperature field and thermal buckling characteristics, and get the judgment method for thermal failure of friction pairs. The research results can provides the theoretical and technical support for improving the speed regulation and soft starting performance of hydro-viscous clutch and the reliability of mechanical equipment.

液粘离合器广泛应用于大功率机械设备的调速和软启动，是节能降耗和提高设备可靠性的有效手段。然而大量的摩擦损耗经常导致摩擦副出现局部高温甚至发生烧蚀或翘曲变形等热失效问题。预先研究表明摩擦副的非均匀温度场及其热屈曲变形是导致热失效的直接原因，而控制油压动态变化和非均匀接触压力引起的摩擦副瞬态热弹性不稳定性及热失效临界条件难以预测。因此，本项目构建液粘离合器湿式摩擦副热弹性不稳定性三维有限元模型，探寻主模态下的扰动增长系数和热弹性失稳临界速度，揭示控制油压动态变化条件下的热点形成机理及温度场动态分布规律，耦合求解摩擦副的热弹性不稳定性和热屈曲特性，最后试验研究摩擦副的温度场分布和波动特性。通过本项目的研究，有望揭示摩擦副瞬态热弹性不稳定性和局部高温形成机理，阐明温度场非均匀分布和热屈曲特性耦合机制，掌握摩擦副发生热失效的判断方法，为改善液粘离合器调速和软启动性能及提高机械设备可靠性提供理论依据。

液黏离合器具有无级调速、软启动、过载保护及可靠性高等功能和优点，广泛应用于大型设备的调速以及重型刮板输送机的软启动，然而长时间滑摩过程中摩擦副大量的瞬态热积聚导致的出现局部高温甚至发生烧蚀或翘曲变形等热失效现象，而摩擦副的热失效和工作品质不稳定一直是困扰传动性能提高的瓶颈问题，性能优异的湿式摩擦副仍然需要进口，且价格昂贵，成为制约我国液黏离合器领域发展的“卡脖子”问题。因此，针对液黏离合器软启动瞬态滑摩过程，采用理论建模、数值模拟与试验研究等现代化方法，建立了基于扰动法的摩擦副热弹性不稳定性理论模型，考虑摩擦副厚度求解对称-反对称模态下的热弹性不稳定性系统矩阵，获得了临界速度、扰动增长系数、表面扰动压力场及温度场的瞬态分布及变化规律，探明了摩擦副热点形成机理及热点个数对扰动增长系数的影响规律；建立了摩擦副的三维瞬态热传导模型，利用有限元法对摩擦副非均匀温度场的分布特性进行了求解；构建了摩擦副三维瞬态热机耦合模型，探寻了热载荷和机械载荷共同作用下的应力应变变化规律；建立了三维热屈曲壳模型，揭示了热屈曲临界条件及相应的屈曲变形模态；搭建了液黏离合器摩擦副综合试验台，确定了摩擦副温度场的测试方案，验证了仿真模型的有效性。通过本项目的研究，完善了摩擦副瞬态热弹性不稳定性和热机耦合基础理论，阐明了摩擦副表面扰动压力场和非均匀温度场变化规律及热点形成机理，形成了热弹性不稳定性和热机耦合特性共同作用下的热屈曲及热失效判断方法，最终实现了工程实践应用，提高了大功率机械设备的工作品质、使用寿命和可靠性。研究过程中共发表学术论文14篇，其中SCI7篇，EI1篇，参加国际国内学术会议10余次，出版专著1部，申请发明专利2项，培养博士研究生3人，硕士研究生5人，研究成果成功应用于重型刮板输送机的可控启动装置，取得了显著的经济和社会效益。