高速滑靴瞬態(tài)摩擦溫升研究

馮瑞雪，蔡洪能，李雪鋒，韓雪成

（西安交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

飛行器試驗(yàn)是在地面進(jìn)行實(shí)物模擬高超聲速運(yùn)動(dòng)物體飛行的試驗(yàn)，滑靴是飛行器試驗(yàn)中至關(guān)重要的部件，是連接飛行器車體和滑軌的紐帶[1—2]。飛行器滑行時(shí)，由滑靴包住鋼軌的凸緣，支撐橇體沿著軌道高速運(yùn)行。隨著飛行器滑車速度的增加，由于滑塊和軌道間強(qiáng)烈摩擦熱、氣動(dòng)熱的作用，滑靴表層受到固定熱源作用產(chǎn)生高溫、大的溫度梯度溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，高溫、熱應(yīng)力會(huì)引起高溫?zé)g、涂層剝落、摩擦磨損甚至材料失效等損傷[3—5]，這些損傷嚴(yán)重危及飛行器的運(yùn)行安全，加之飛行器試驗(yàn)存在高速、大載荷以及沖擊等現(xiàn)象，因此，對(duì)滑靴-滑軌摩擦副在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的熱燒蝕、溫升機(jī)理和行為進(jìn)行深入研究，對(duì)保證飛行器試驗(yàn)的運(yùn)行安全、合理設(shè)計(jì)滑靴結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)防燒蝕涂層等方面具有重要意義。

飛行器滑靴摩擦溫升過(guò)程受許多因素影響，而且包括接觸非線性、幾何非線性和材料非線性等非線性問(wèn)題，是復(fù)雜的物理非線性過(guò)程[6]。在滑靴滑動(dòng)過(guò)程中，摩擦所消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，并且通過(guò)接觸面?zhèn)魅牖セ壗佑|區(qū)域，使接觸區(qū)域溫度升高。滑靴接觸表面受摩擦熱源持續(xù)加熱，而滑軌接觸表面則以新的冷的材料從滑靴底面滑過(guò)而被瞬時(shí)加熱，因此接觸邊界條件在不斷變化[7]。隨著溫度升高材料性能往往會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響滑靴溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布，是一個(gè)材料非線性和熱力耦合的過(guò)程。隨著溫度和速度的升高，接觸界面摩擦因數(shù)發(fā)生變化，摩擦因數(shù)的變化會(huì)影響摩擦熱源的大小與分布，進(jìn)而對(duì)溫度場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生影響。任國(guó)光[8—9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)燒蝕材料遭遇外部的熱流，表面的溫度迅速達(dá)到裂解溫度失去質(zhì)量，這種燒蝕材料會(huì)吸收大量的熱量，并且開始裂解。質(zhì)量損失的原因包括相變、化學(xué)反應(yīng)以及機(jī)械燒蝕等。材料燒蝕時(shí)會(huì)產(chǎn)生4 個(gè)分區(qū)：原始材料層、熱解反應(yīng)層、炭化層和燒蝕層。

燒蝕材料的燒蝕行為研究方法包括實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析3 種[10]，而數(shù)值模擬與計(jì)算仿真可以依據(jù)目前的理論基礎(chǔ)，根據(jù)材料的物理性能，完美地再現(xiàn)真實(shí)條件下的物理現(xiàn)象。Comsol Multiphysics 是一個(gè)大型高級(jí)多物理場(chǎng)有限元仿真平臺(tái)，起源于MATLAB 的一個(gè)有限元建模插件FEMLAB，根植于PED tools（偏微分工具包），這就決定了它能夠方便地利用PED（偏微分方程）建立模型、定義和求解任意場(chǎng)的耦合場(chǎng)問(wèn)題。基于這種特性，COMSOL Multiphysics 更適用于多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題的研究分析，被大范圍用于實(shí)驗(yàn)研究和相關(guān)工程問(wèn)題的研究計(jì)算，享有“全球首款真正的多耦合場(chǎng)分析軟件”的美譽(yù)[11—12]。Cong Zhou 等[13]利用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics 計(jì)算青銅基板的內(nèi)部溫度場(chǎng)、金屬蒸汽區(qū)的速度場(chǎng)以及單脈沖激光燒蝕過(guò)程中各種平均激光功率水平下燒蝕坑形狀的演變。紀(jì)利平等[14]利用COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件建立銅片雙溫模型。用控制變量的方法，模擬計(jì)算光斑半徑及入射激光能量對(duì)電子系統(tǒng)溫度及晶格系統(tǒng)溫度的影響，預(yù)測(cè)燒蝕形貌。

文中基于Comsol Multiphysics 軟件研究沿長(zhǎng)軌道高超聲速滑動(dòng)時(shí)滑靴接觸界面溫度變化行為，實(shí)現(xiàn)接觸界面高溫?zé)g過(guò)程模擬，分析材料的溫度分布及燒蝕形貌等情況。分析中考慮了接觸非線性、材料非線性和幾何非線性等問(wèn)題，分析得到的滑靴三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)為飛行器實(shí)驗(yàn)滑靴材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)參數(shù)及模型

1.1 材料參數(shù)

靴軌摩擦溫升數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)主要包括材料屬性和運(yùn)行參數(shù)等，每個(gè)參數(shù)的選擇都是基于實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)參考文獻(xiàn)選擇的。

材料參數(shù)：滑靴材料采用MAX300 鋼，滑軌材料采用U71Mn 鋼，MAX 300 的熱物性能參數(shù)如表1所示[15]，U71Mn 鋼的熱物性能參數(shù)如表2 所示[16]。

表1 Vasco Max 300 鋼的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of Vasco Max 300 steel

表2 U71Mn 鋼的物性參數(shù)Tab.2 Physical properties of U71Mn steel

1.2 運(yùn)行參數(shù)

飛行器靴軌運(yùn)行參數(shù)主要包括速度、載荷、摩擦因數(shù)、初始條件和運(yùn)行距離等，滑靴運(yùn)行速度分別為100,150,200,250,300 m/s，具體運(yùn)行速度曲線如圖1所示，摩擦因數(shù)為0.25，初始溫度為室溫293.15 K，滑動(dòng)距離為9000 m，載荷分別為121,140,160 kg。

圖1 滑靴運(yùn)行速度曲線Fig.1 Curve of sliding shoe's running speed

1.3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

文中考慮了非線性問(wèn)題，所以需要按照真實(shí)三維模型分析。應(yīng)用Comsol Multiphysics 軟件對(duì)飛行器滑靴滑軌進(jìn)行建模，靴軌運(yùn)行示意圖如圖2 所示。為提高計(jì)算效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)，靠近接觸區(qū)域的部分區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的部分區(qū)域網(wǎng)格粗化。由于對(duì)滑靴的溫度場(chǎng)結(jié)果精度要求較高且為了節(jié)約計(jì)算成本，因此滑靴的網(wǎng)格較細(xì)，滑軌網(wǎng)格較粗且在計(jì)算時(shí)進(jìn)行剛體約束，網(wǎng)格劃分情況如圖3 所示。

圖2 靴軌運(yùn)行示意圖Fig.2 Schematic diagram of sliding shoe and rail's operation

圖3 靴軌網(wǎng)格劃分情況Fig.3 Meshing of sliding shoe and rail

2 結(jié)果分析

2.1 運(yùn)行速度對(duì)滑靴溫度變化的影響

當(dāng)飛行器運(yùn)行過(guò)程中滑靴承受載荷為121 kg，運(yùn)行時(shí)間為4 s 時(shí)，不同運(yùn)行速度下滑靴表面溫度變化如圖4 所示，可知，在100 m/s 時(shí)最高溫度為1.66×103K，沒(méi)有燒蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；而150 m/s 時(shí)最高溫度為1.74×103K，已經(jīng)出現(xiàn)了燒蝕，接觸面已經(jīng)不再平整；200,250,300 m/s 時(shí)燒蝕情況逐漸加劇，在300 m/s時(shí)滑靴的燒蝕已經(jīng)非常嚴(yán)重，兩翼緣已經(jīng)出現(xiàn)了彎曲變形。

當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中滑靴承受載荷為121 kg 時(shí)，提取滑靴端面距離接觸面不同距離的節(jié)點(diǎn)溫度，以比較在不同運(yùn)行速度下、不同距離的節(jié)點(diǎn)的縱向溫度變化，提取的節(jié)點(diǎn)位置和節(jié)點(diǎn)溫度曲線如圖5 所示。可知，100 m/s 時(shí)在滑靴接觸界面處，在4.3 s 開始出現(xiàn)燒蝕，在7.3 s 接觸界面已完全被燒蝕掉，所以不再顯示溫度；速度為150,200,250,300 m/s 時(shí)分別在3.6,3.4,2.9,3.3 s 開始燒蝕，在5,4.4,3.8,4.3 s 接觸界面被燒蝕掉。300 m/s 時(shí)燒蝕時(shí)間晚于250 m/s，可能是由于300 m/s 速度增加得比較慢。

2.2 載荷對(duì)滑靴溫度變化的影響

在摩擦因數(shù)為0.25、運(yùn)行最高速度為100 m/s、運(yùn)行時(shí)間4 s 等參數(shù)相同的情況下，滑靴的表面溫度隨承受載荷的改變而變化，如圖6 所示。可知載荷為121 kg 時(shí)，最高溫度為1.66×103K；載荷為140 kg 時(shí)，最高溫度為1.75×103K；載荷為160 kg 時(shí)，最高溫度為1.74×103K。載荷為160 kg 運(yùn)行4 s 時(shí)的溫度略低于載荷為140 kg 時(shí)的溫度，原因是載荷為160 kg、運(yùn)行4 s 時(shí)已經(jīng)開始出現(xiàn)燒蝕，滑靴表面已有部分被燒蝕掉，損失了部分熱量。

圖4 不同運(yùn)行速度下滑靴表面溫度變化Fig.4 Surface temperature change of sliding shoe at different running speeds

圖5 不同運(yùn)行速度下節(jié)點(diǎn)溫度變化Fig.5 Node temperature change at different operating speeds

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值分析的方法研究了飛行器在不同速度、不同載荷的運(yùn)行工況下對(duì)滑靴溫度場(chǎng)的影響，主要結(jié)論如下。

1）當(dāng)載荷為121 kg，運(yùn)行時(shí)間為4 s 時(shí)，滑靴最高速度為100 m/s 時(shí)最高溫度為1.66×103K，沒(méi)有燒蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；而150 m/s 時(shí)最高溫度為1.74×103K，已經(jīng)出現(xiàn)了燒蝕；200,250,300 m/s 時(shí)燒蝕情況逐漸加劇。

2）比較距離滑靴接觸面不同距離節(jié)點(diǎn)的縱向溫度變化，100 m/s 時(shí)在滑靴接觸界面上4.3 s 開始出現(xiàn)燒蝕，在7.3 s 接觸界面已完全被燒蝕掉；最高速度為150,200,250,300 m/s 時(shí)分別在3.6,3.4,2.9,3.3 s開始燒蝕，在5,4.4,3.8,4.3 s 接觸界面被燒蝕掉。由于300 m/s 速度增長(zhǎng)得較慢故其開始燒蝕時(shí)間晚于250 m/s 時(shí)的燒蝕時(shí)間。

3）飛行器運(yùn)行最高速度為100 m/s、運(yùn)行時(shí)間4 s 時(shí)，滑靴承受載荷分別為121,140,160 kg 時(shí)，滑靴表面最高溫度為分別為 1.66×103,1.75×103,1.74×103K。載荷為160 kg 時(shí)的溫升略低于載荷為140 kg時(shí)的溫升，是由于載荷為160 kg 時(shí)滑靴表面出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象較早，損失了部分熱量。

圖6 不同載荷下4 s 時(shí)的溫度變化Fig.6 Temperature change at 4 s under different loads