單個微凸體接觸過程中的閃點溫度研究

劉雨薇,張衛正,葉福浩

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,100083,北京;2.北京理工大學機械與車輛學院,100081,北京;3.北京奔馳汽車有限公司,100176,北京)

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單個微凸體接觸過程中的閃點溫度研究

劉雨薇1,張衛正2,葉福浩3

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,100083,北京;2.北京理工大學機械與車輛學院,100081,北京;3.北京奔馳汽車有限公司,100176,北京)

為了對滑動摩擦副表面的閃點溫度進行有效評估,以相對滑動粗糙表面上的單個微凸體間的瞬態接觸導熱過程為研究對象,假設兩個粗糙表面上各自有一個微凸體發生接觸,理論分析了滑動速度、最大貫穿深度、摩擦系數以及材料的熱物性參數等因素對閃點溫度的影響。研究表明,接觸面中心位置處的閃點溫度隨著接觸時間的延長而升高,在總的接觸時長的82.5%時刻,閃點溫度達到最大值,之后隨著接觸時間的延長,閃點溫度逐漸降低,最大閃點溫度比Archard模型的預測結果高10%。此外,最大閃點溫度與滑動速度的平方根、最大貫穿深度的3/4次方、摩擦系數以及復合楊氏模量成正比,與熱導率、密度和比熱容的乘積成反比。該研究結果為后續滑動摩擦副摩擦磨損機理的研究奠定了理論基礎。

滑動粗糙面;微凸體接觸;閃點溫度

具有粗糙表面的兩個物體相接觸時,由微凸體接觸形成的實際接觸面積是不連續的,并且遠小于名義接觸面積。當兩物體之間發生相對滑動時,克服摩擦阻力產生的熱量將首先通過發生接觸的微凸體向內擴散,使得微凸體溫升比摩擦表面的平均溫度的溫升高許多倍,從而對接觸面產生有害的影響,導致金屬表面的氧化速度加快,硬度降低,發生黏著的可能性增大,因而磨損率增大,甚至在較大的成塊面積上形成黏著焊連。接觸面上的最高溫度又稱閃點溫度,閃點溫度對接觸表面的摩擦和磨損特性具有重要影響。

對于摩擦副閃點溫度的研究已經有很多年的歷史,最早對滑動摩擦系統中摩擦副表面溫度進行計算的模型均假設幾何接觸面積足夠大以保證穩定導熱狀態成立。如果一個表面是光滑的,或者硬度較高、較粗糙的表面在較軟、較光滑的表面上滑動時,則該假設是合理的;若硬度和粗糙度相差不多的兩個表面上的微凸體間的相互作用是瞬態的,持續的時間極短,則無法滿足穩定導熱狀態成立。Ling等介紹了一種熱量在時間和空間隨機分布的情況下,計算滑動物塊的接觸表面溫升的統計模型[1],發現表面溫度是波動的,并且接觸點的溫度要比名義接觸面的溫度高很多。Archard建立了一個帶有突起的物體在另一個物體表面滑動時的閃點溫度模型[2],認為突起上的熱源是相對靜止的,相接觸平面上的熱源是移動的,并且對不同Peclet數下接觸面上的平均閃點溫度進行了計算。Kennedy用有限元方法對滑動系統中的閃點溫度進行了預測[3],并與實驗結果相吻合。

上述在對滑動摩擦副的閃點溫度進行研究的過程中,模型所采用的接觸輪廓與Archard模型相類似,滑動過程中接觸面積始終保持不變,并且熱流密度是均勻分布的。本文所研究的兩個相互滑動的微凸體間接觸面積大小隨著接觸時間發生變化,熱流密度也隨著接觸壓強的變化而改變。通過對接觸過程中的瞬態導熱情況進行分析,得到接觸面中心位置處的閃點溫度隨接觸時間的變化趨勢,將最大閃點溫度與Archard模型中的閃點溫度相比較,探討了材料特性參數對最大閃點溫度的影響。

1 單個微凸體接觸過程中的閃點溫度

1.1 單個微凸體間瞬態接觸過程中的導熱分析

本文在GW模型[4]的基礎上,假設每個粗糙表面上分布有不同高度的球形微凸體。當一個微凸體通過另一個微凸體時,兩者之間經歷了極短的接觸作用,微凸體間典型的機械和熱相互作用是一個瞬態過程。

粗糙表面通過單個微凸體模型進行描述時,微凸體實際接觸區域中的作用力在原子與原子間作用力的范圍內,因此可以假設這些區域中的溫度是連續分布的。典型的微凸體之間的相對滑動速度很大,相互作用持續的時間非常短,因此可以將兩個相互接觸的物體的本體溫度看作是常數,令T1=T2=0,并且熱流的傳遞集中在垂直接觸面的法線方向上,平行于接觸面的橫向熱流忽略不計[5],從而將問題簡化為與單個空間坐標和時間相關的導熱問題。

(1)

(2)

(3)

式中:Ci=Ki/ki1/2,Ki為導熱系數,ki為熱擴散率,i=1,2分別表示物體1和物體2。

(4)

上述結論在滑動速度很大、微凸體相互作用時間很短的條件下是合理的。當滑動速度很小時,將會出現熱穩定狀態,摩擦生熱量的分配比例等于兩物體熱導率的比值,即K1/K2[7]。

根據式(4)可知,物體1和物體2接觸面上的單位面積熱流率為

(5)

式中:q(x,τ)為單位面積上的摩擦生熱率,等于單位面積上的摩擦力在單位時間內所做的功,即

q(x,τ)=μp(x,τ)V

(6)

在滿足彈性接觸的前提下,接觸面積的半徑a、法向接觸力P、接觸壓強的分布p(r)可以根據赫茲接觸理論[8]表示為

(7)

式中:R*為物體1和物體2粗糙表面上相互作用的兩個微凸體峰頂的復合半徑;E*為復合彈性模量;d為兩個微凸體相互接觸過程中的最大貫穿深度[9]。單個微凸體的接觸是一個瞬態的接觸過程,在給定的某個分離距離h0下,兩個微凸體從開始發生接觸直至分離的過程中,P不斷地波動,最大貫穿深度d也不斷發生變化,二者均隨著接觸時間先增大后減小;在初始時刻,P和d取得最大值,即有

(8)

(9)

式中:R1、R2為兩個粗糙表面上的單個微凸體的半徑;h1、h2為相對于各自參考平面的高度;b為兩個微凸體峰頂間的空間最短距離;h0為兩個表面參考平面間的距離;t0為接觸作用的持續時間。

對單個微凸體在接觸過程中的接觸面積的運動形式進行簡化,不考慮接觸面積的移動,大小隨著接觸時間的增大先增大后減小,這將使得接觸面積的中心始終處于被加熱狀態,因而最大溫度將會出現在該中心位置(r=0)處。結合式(7)～(9),可得中心位置處的接觸壓強

(10)

將式(10)代入式(6),得到中心位置處的總的摩擦生熱率

(11)

1.2 單個微凸體接觸過程中的閃點溫度

對于接觸面上(x=0)單位時間內單位面積上的熱流密度為f(t)的導熱問題,Carslaw給出了t時刻距離接觸面距離為x處的溫度[5]

(12)

單個微凸體接觸面上中心位置的坐標為x=y=0,則上式中對應的指數項等于1,并且單位時間內單位面積上的熱流密度可由式(11)確定。對式(12)進行變量替換可以得到從開始接觸到某一時刻t,接觸面上中心位置處的瞬態溫度為

(13)

結合式(5)、(11)、(13),可得接觸面積中心位置的溫度

(14)

(15)

圖1 單個微凸體接觸過程中接觸面中心的變化趨勢

1.3 閃點溫度比較驗證

Archard在對閃點溫度進行計算時,假設接觸面積為圓形,接觸圓內的熱流密度均勻分布,且在較大的滑動速度下的表面溫度與距離接觸面前緣的距離z的平方根成正比,即

T=Az1/2

(16)

式中:A為比例系數。對于接觸半徑為a的接觸面,最高溫度將出現在接觸面的尾緣處,即

(17)

Archard模型中接觸面積的輪廓如圖2所示,接觸過程中的平均溫度可表示為

(18)

圖2 接觸面積的輪廓示意圖

利用Maple對式(17)、(18)進行計算,可得粗糙表面上的最大溫度與平均溫度的比值

(19)

對于滑動速度較大的導熱問題,Archard給出的平均溫度為[2]

(20)

對于完全相同的兩個表面,赫茲接觸模型中接觸面積的半徑、法向接觸力可化簡為

(21)

將式(21)代入式(20),可得平均溫度

(22)

將式(22)代入式(19),得到接觸面上的最大溫度

(23)

令式(15)中的R1=R2=R,C1=C2=C,可得兩個完全相同的微凸體相互接觸過程中的最高溫度為

(24)

2 最大閃點溫度的影響因素

表1 活塞和氣缸的材料參數

3 結 論

本文對具有相對滑動粗糙表面上的單個微凸體,在相互接觸過程中產生的閃點溫度的變化趨勢及影響因素進行了分析研究,得到以下結論。

(1)接觸面中心位置處的閃點溫度隨著接觸時間的延長而升高,在總接觸時間的82.5%時刻,閃點溫度達到最大值,之后隨著接觸時間的延長,閃點溫度逐漸降低。

(2)本文預測的單個微凸體接觸過程中的最高溫度比Archard預測的高10%。

(4)在微凸體的峰頂半徑和最大干涉深度一定的情況下,對于相同的滑動速度,以鋁合金和鑄鐵為材料的單個微凸體,在接觸過程中的最高溫度低于以鋼和鑄鐵為材料的單個微凸體接觸的最高溫度。

[1] LING F F, PU S L. Probable interface temperatures of solids in sliding contact [J]. Wear, 1964, 7(1): 23-34.

[2] ARCHARD J F. The temperature of rubbing surfaces [J]. Wear, 1959, 2(6): 438-455.

[3] KENNEDY F E. Surface temperatures in sliding systems: a finite element analysis [J]. Journal of Tribology, 1981, 103(1): 90-96.

[4] GREENWOOD J A, WILLIAMSON J B P. Contact of nominally flat surfaces [J]. Proceedings of the Royal Society of London: Series A Mathematical and Physical Sciences, 1966, 295(1442): 300-319.

[5] CARSLAW H S, JAEGER J C. Conduction of heat in solids [M]. Oxford, UK: Clarendon Press, 1959.

[6] BERGMAN T L, INCROPERA F P. Fundamentals of heat and mass transfer [M]. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2011.

[7] WANG S, KOMVOPOULOS K. A fractal theory of the interfacial temperature distribution in the slow sliding regime: part I Elastic contact and heat transfer analysis [J]. Journal of Tribology, 1994, 116(4): 812-822.

[8] JOHNSON K L, JOHNSON K L. Contact mechanics [M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1987.

[9] LIU Y, BARBER J R. Transient heat conduction between rough sliding surfaces [J]. Tribology Letters, 2014, 55(1): 23-33.

(編輯 趙煒 苗凌)

Research on the Flash Temperature in Single Asperity Contact

LIU Yuwei1,ZHANG Weizheng2,YE Fuhao3

(1. School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing100083, China; 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;3. Beijing Benz Automotive Co., Ltd., Beijing 100176, China)

In order to estimate the flash temperature of sliding friction pair, the transient heat conduction between a single asperity contact on the rough sliding surfaces was investigated. Based on the assumption that there is only one asperity contact on each rough surface, the influences of sliding velocity, maximum interference, frictional coefficient, thermal-physical properties of the contacting materials on the flash temperature were analyzed. The results revealed that the flash temperature increased firstly and then decreased with the increase of contact time. The maximum value of flash temperature appeared at the moment when the contact time was about 82.5% of the total time, and it was 10% higher than that of Archard’s model. In addition, the flash temperature was in proportion to such factors as the square root of the sliding speed, the 3/4 power of the maximum interference, frictional coefficient, and compound elastic modulus, and inversely proportional to the thermal conductivity, and the product of density and specific heat capacity. These results provided a theoretical foundation for further study on the friction and wear mechanism of sliding friction pairs.

sliding rough surfaces; asperity contact; flash temperature

10.7652/xjtuxb201603014

2015-08-27。 作者簡介:劉雨薇(1987—),女,博士,講師。 基金項目:國家重點基礎研究發展計劃資助項目(613570303)。

TH117

:A

:0253-987X(2016)03-0090-05