船用湿式摩擦元件热负荷仿真分析研究
湿式摩擦离合器由于其可以滑摩的特性，满足定距桨的负载需求，故普遍应用于采用柴油机以及定距桨的船舶动力系统。湿式摩擦离合器接合的过程中，输入端与输出端之间存在转速差，交替安装于离合器内的多组摩擦元件即摩擦片和对偶钢片在工作油压的作用下压紧并产生相对滑动，在摩擦力的作用下，离合器输入端与输出端的转速差逐渐下降为零，运动和扭矩从离合器的输入端传递到输出端。在摩擦片和对偶钢片压紧并产生相对滑动的过程中会产生大量的摩擦热，导致摩擦元件温度上升。 随着定距桨转速的提高，扭矩越来越大，摩擦元件热负荷也越来越大，摩擦材料及钢片的材料属性随着温度的升高产生变化，在外部压应力及内部热应力的共同作用下，产生热膨胀、烧蚀变形、磨损脱落等现象，导致摩擦元件无法正常工作。在进行摩擦离合器设计时，不仅要考虑摩擦元件的稳态传扭能力，还要计算摩擦元件接排时的热负荷承受能力，充分发挥摩擦元件的热负荷承受能力可以有效地减小摩擦元件直径，降低离合器体积重量，提高离合器的工作转速，最终提升摩擦离合器的功率密度。 本文研究内容来源于“船舶动力基础科研项目”（MG0501），针对某湿式摩擦离合器的摩擦元件，进行了以下研究： （1）建立摩擦离合器的简化动力学模型，假设摩擦元件在接合过程中的滑摩功全部转化为摩擦热，计算得到摩擦片及对偶钢片滑摩功、滑摩功率的计算公式，通过摩擦元件的材料属性得到其热分配系数并计算平均温升；通过油液特性计算摩擦元件与冷却润滑油的散热系数；通过试验可测参数反算摩擦系数。 （2）对摩擦片及对偶钢片结构进行合理简化，忽略内外花键、摩擦片表面沟槽结构及散热条件，通过ABAQUS有限元仿真软件建立摩擦元件的接触模型，对模型直接施加转速、压力等动力学参数，通过软件模拟摩擦片和对偶钢片压紧并产生相对滑动温度升高的整个过程，对仿真结果的温度场、应力场及位移场进行分析，探究摩擦元件最高温度出现的位置及其原因，从而分析摩擦元件的失效机理，确定许用热负荷的评价指标；通过对比仿真分析得到转速、油压、滑摩时间、摩擦元件厚度对最高温度的影响，借由温升系数给出钢片推荐厚度选值。 （3）对模型进行优化，根据实际情况修改模型结构尺寸，根据工作条件为模型加载边界条件，从仿真结果中预测摩擦元件的失效情况及许用热负荷。 （4）进行试验验证，采用制动法进行试验，搭建摩擦离合器摩擦元件极限热负荷试验台，通过提高惯性转子的转速提高摩擦元件承受的热负荷直至摩擦元件破坏失效，通过试验数据反算摩擦系数推断摩擦元件的工作状态，确定摩擦元件许用热负荷。将仿真与试验结果对比，验证仿真模型可靠性。
船舶动力系统;湿式摩擦离合器;摩擦元件;热负荷;有限元仿真
中国舰船研究院
硕士
轮机工程
石玉权
2020
中文
U664.81
2020-12-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）