摩擦力矩负载模拟器摩擦性能研究

摘要

摩擦力矩作为火箭发动机喷管受到的主要负载之一，它的大小及变化对喷管的性能影响甚大。本文在前人对负载模拟器研究的基础上，设计一种摩擦力矩负载模拟器，完成对喷管摩擦力矩负载的模拟，并对该负载模拟器摩擦性能展开研究。摩擦性能好坏取决于摩擦材料本身和外界参数对它的影响。本文主要对负载模拟器摩擦力矩计算、摩擦片参数确定、摩擦片材料选取及摩擦副热仿真分析研究，探讨各参数对负载模拟器摩擦性能的影响。
　　分析摩擦力矩负载模拟器的工作原理，与传统模拟器相比，该模拟器在消除多余力和提高系统频宽方面性能优越。采用集中应力算法和微积分算法，推导不同形状摩擦片摩擦力矩公式。计算摩擦片不同形状、不同尺寸及不同组数时产生的摩擦力矩大小，分析这些参数对摩擦力矩波动的影响规律。结果表明，大尺寸、多组数、方形摩擦片是首选。但是，尺寸大、组数多会占用更多空间，且方形在使用时需要附加约束结构，增加了系统结构复杂度。在此基础之上，总结各参数的优缺点及适用场合，为选择摩擦片参数、摩擦副热仿真参数设定提供参考。
　　分析负载模拟器摩擦副温度场与应力场耦合问题，探究摩擦副接触界面间传热规律，建立三维瞬态温度场方程。计算热交换系数和热流密度分配系数等边界条件，求解摩擦副温度场的数值解。利用有限元软件对摩擦副热仿真分析，探讨压力、阳球摆动频率、摩擦副材料比热容及热交换系数等参数对摩擦副温度值影响规律，为摩擦材料的选择提供理论依据。结果表明，压力和频率增加都会使温度升高。为防止温度过高影响系统性能，选择高比热容的摩擦片或阳球材料或提高阳球与周围空气的热交换系数等措施，可以缓解系统因为摩擦导致的温度升高问题。
　　用摩擦试验机测试金属基、半金属基及C/C三类材料的摩擦性能，分析压力、转速等参数对三类材料摩擦性能的影响规律。利用红外测温仪测试接触面上的温度值，分析材料摩擦系数在不同温度下的波动大小。结果表明，除黄铜+石墨材料外的金属基材料摩擦性能受压力、转速及温度影响较大。半金属基材料因有明显“热衰退”现象，只受温度影响较大。金属基和半金属基主要应用于摩擦系数较大、稳定性要求不高的场合。黄铜+石墨材料和C/C材料摩擦系数的稳定性相对较好，适用于系数低、稳定性要求高的场合。只是C/C材料容易氧化，使用时要加装防氧化装置。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外负载模拟器研究现状

1.3 国内外摩擦材料研究现状

1.4 温度场-应力场耦合研究现状

1.5 本文研究内容

第2章 摩擦力矩负载模拟器基本参数分析

2.1 引言

2.2 技术指标

2.3 摩擦力矩负载模拟器介绍

2.4 摩擦力矩的计算

2.5 摩擦片参数对摩擦力矩的影响

2.6 本章小结

第3章 摩擦力矩负载模拟器热仿真分析

3.1 引言

3.2 摩擦生热理论

3.3 热传导理论

3.4 温度应力的计算方法

3.5 摩擦副热仿真分析

3.6 本章小结

第4章 摩擦材料试验研究

4.1 引言

4.2 试验装置及测试性能评价

4.3 金属基摩擦材料摩擦性能测试

4.4 半金属摩擦材料摩擦性能测试

4.5 C/C复合摩擦材料摩擦性能测试

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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