宮 燃,張 鶴,徐 宜，車華軍，張樹培

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

2016101

基于元胞自動機法的復合材料密封環(huán)微觀磨損狀態(tài)模擬*

宮 燃1,張 鶴2,徐 宜2，車華軍1，張樹培1

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013； 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

基于離散體系的移動元胞自動機方法，并考慮多種填充材料的影響，構(gòu)建了重型車輛傳動系統(tǒng)的復合材料密封環(huán)的離散模型，選擇聚四氟乙烯和聚醚醚銅兩種復合材料，進行密封摩擦副微觀摩擦磨損過程的可視化對比仿真。通過仿真直觀觀察密封表面微觀結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化，及其機械混合層的形成和發(fā)展過程。通過磨損元胞的統(tǒng)計計算，分析在模擬時間內(nèi)兩種復合材料密封環(huán)的微觀磨損情況。同時開展了密封環(huán)摩擦磨損試驗，通過掃描電子顯微鏡觀察兩種密封材料的表面形貌，結(jié)果表明，在材料顆粒磨損方面，仿真與試驗結(jié)果基本一致，驗證了通過移動元胞自動機方法開展復合材料密封環(huán)微觀摩擦磨損模擬的有效性。

重型車輛；傳動系統(tǒng)；密封環(huán)；移動元胞自動機；微觀摩擦磨損

前言

在重載車輛中，濕式離合器中密封環(huán)的密封性能會影響整個傳動裝置的動力性和穩(wěn)定性，是評價總體傳動性能的一個重要指標。在傳統(tǒng)設計中，重載車輛傳動裝置的密封環(huán)是按照全流體油膜潤滑的工況設計的。在這樣的工況環(huán)境下，密封環(huán)可以實現(xiàn)很低的摩擦因數(shù)和很長的服役壽命，所以金屬材料密封環(huán)可以滿足使用性能的要求。但車輛傳動裝置中的密封環(huán)，工作環(huán)境多變，且往往需要在高速重載高溫環(huán)境下使用，在實際使用中，不能完全保證在全流體潤滑狀態(tài)下工作。在這種情況下，金屬材料密封環(huán)并不是最優(yōu)選擇，因為它會產(chǎn)生較大的功率損失，并且容易發(fā)生磨損失效。新型密封材料的出現(xiàn)特別是復合材料，提高了原有密封環(huán)的穩(wěn)定性和可靠性[1-3]。所以，考察不同復合材料密封環(huán)的磨損性能就成為密封環(huán)設計的一項關(guān)鍵內(nèi)容。

目前，復合材料密封環(huán)摩擦磨損的計算多數(shù)基于接觸力學或摩擦理論[4-6]。文獻[7]中基于接觸模型的近似計算來分析密封環(huán)的穩(wěn)態(tài)磨損，文獻[8]中依據(jù)Archard磨損理論，建立了機械密封端面黏著磨損分形模型，文獻[9]中利用多尺度模型求解復合材料密封系統(tǒng)的密封性能，并討論了材料特性對密封的影響。但在一般工程材料特別是復合材料中，內(nèi)部會出現(xiàn)夾雜、不連續(xù)空隙、微觀缺陷，同時還有不同填充材料的影響，如果應用連續(xù)介質(zhì)力學方法處理這類問題，將會導致精度不足或無法計算的問題[10]，因此需要探索應用非連續(xù)介質(zhì)力學或離散分析方法來解決復合材料摩擦磨損問題。

同時，試驗也是研究密封摩擦磨損的重要手段，文獻[11]中利用摩擦磨損試驗機研究了石墨密封材料的摩擦磨損性能，并采用掃描電子顯微鏡觀察分析了磨損表面形貌，文獻[12]中通過試驗考察不同介質(zhì)環(huán)境下聚四氟乙烯復合材料密封環(huán)的摩擦行為，獲得不同密封材料組分的磨損規(guī)律。通過試驗可以較好地觀測到復合材料密封環(huán)摩擦和磨損規(guī)律，但是單獨通過試驗較難發(fā)現(xiàn)密封接觸面潛在的摩擦和磨損現(xiàn)象，而目前的連續(xù)介質(zhì)力學方法又難以直觀地反映復合材料密封環(huán)的摩擦磨損過程和特性。

本文中在離散化思想的基礎上，開展基于移動元胞自動機算法的復合材料密封環(huán)磨損行為的模擬，通過可視化的模擬過程直觀展示密封環(huán)微觀尺度的摩擦磨損過程，為車輛傳動裝置密封環(huán)材料的選擇提供一種數(shù)值試驗模擬方法。

1 微觀磨損狀態(tài)模擬的模型

1.1 移動元胞自動機方法

移動元胞自動機方法是在元胞自動機方法上發(fā)展起來的[13]。移動元胞自動機把被模擬對象離散成一系列單元，這些單元稱為移動元胞。不僅元胞的狀態(tài)可以改變，而且它們的位置和移動方向也可以隨著載荷的變化而改變。

在移動元胞自動機的算法框架內(nèi)，模擬對象的全部元胞可以通過相鄰元胞，即“元胞對”聯(lián)系起來，元胞連接意味著在元胞之間存在著一種價鍵。元胞對的位置關(guān)系如圖1所示，分別表示相切、重疊和分離3種情況。元胞對的相互位置關(guān)系通過設置重疊參數(shù)hij進行描述，定義為

(1)

取任意一元胞對i-j，如果考慮在元胞j的作用下元胞i的變形εi，表示為：εi=(2qij-di)/di，同理εj=(2qji-dj)/dj。qij(ji)是從元胞i(j)的中心到兩元胞接觸面的距離，如圖1(b)所示。那么元胞對i-j間的應變?yōu)?/p>

(2)

元胞對i-j在負荷作用下會產(chǎn)生相對運動，i-j元胞對中的元胞i和元胞j的正應變和切應變滿足如下關(guān)系：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中

(7)

式中：σx和σy為正應力；τ為切應力。

1.2 離散建模

車輛傳動裝置中的密封環(huán)，主要解決旋轉(zhuǎn)件與固定件之間的密封問題，在一定的油壓作用下，密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸緊密貼合，防止壓力油泄漏，實現(xiàn)離合器接合油壓的建立。密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸的局部接觸模型示意圖如圖2所示。

在進行密封環(huán)微觀表面摩擦磨損數(shù)值模擬時，可以選擇密封環(huán)的任意位置。本文中，選擇密封環(huán)主密封面與旋轉(zhuǎn)軸接觸的微觀局部區(qū)域作為建模位置，因為主密封面的摩擦行為最為劇烈，磨損程度最為嚴重。根據(jù)有限元方法的熱結(jié)構(gòu)耦合計算和接觸分析，在主密封面上應力應變大、溫度高的微觀區(qū)域進行建模，以此為例，可更清晰地表達移動元胞自動機微觀磨損評估的有效性。

依據(jù)1.1節(jié)的移動元胞自動機計算規(guī)則，把圖2所示的密封環(huán)和旋轉(zhuǎn)軸局部接觸模型，離散成為具有一定尺寸大小的元胞離散模型，如圖3所示。根據(jù)密封材料的性質(zhì)和填充材料的具體尺度決定離散模型中單個元胞尺寸的大小，本文中設置每個元胞為5μm，這樣整個微觀建模區(qū)域為0.3mm×0.3mm的范圍。同時模型中布置潤滑油元胞，以模擬密封流體，但在離散建模時忽略密封流體的流變特性。在離散模型的初始狀態(tài)，元胞彼此之間互相連接且?guī)缀蜗嗲?。按照密封環(huán)的實際復合材料構(gòu)成進行模型構(gòu)建，在建模中區(qū)別設置密封環(huán)基體材料和填充材料元胞的不同力學參數(shù)。根據(jù)傳動系統(tǒng)的實際運行工況，設置密封環(huán)工作的初始條件。在密封環(huán)元胞離散模型一側(cè)，在頂層元胞上施加垂直方向的壓力ps，它是通過有限元法接觸計算預先獲得的。在旋轉(zhuǎn)軸元胞離散模型一側(cè)，設置線速度v，取值范圍與旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n范圍相對應。兩種復合材料密封環(huán)離散模型的粗糙表面，根據(jù)表面粗糙度輪廓儀獲得的微觀輪廓進行設置，同時參考表面粗糙度的評定參數(shù)作適當調(diào)整。

針對密封環(huán)微觀尺度的摩擦狀態(tài)模擬，元胞之間的連接狀態(tài)是反映密封磨損的關(guān)鍵問題。元胞對之間可以由連接狀態(tài)轉(zhuǎn)換成非連接狀態(tài)，這取決于元胞對的應力強度；反之，元胞對之間可以由非連接狀態(tài)恢復到連接狀態(tài)，這取決于元胞對的接觸應力。

本文中以兩種目前在用的復合材料密封環(huán)為例，進行磨損過程的數(shù)值模擬。第1種密封環(huán)材料為聚四氟乙烯(PTFE)，填充銅粉(體積分數(shù)25%)作為增強材料，進行模型離散和移動元胞劃分，模型共劃分3 883個元胞；第2種材料為聚醚醚銅(PEEK)，填充二硫化鉬(體積分數(shù)20%)和玻璃纖維粉(體積分數(shù)10%)作為增強材料，離散模型共劃分3 876個元胞。

2 仿真與結(jié)果分析

所選擇PTFE和PEEK兩種復合材料密封環(huán)的尺寸相同，外徑為125mm，內(nèi)徑為119.2mm。旋轉(zhuǎn)軸材料是38CrSi合金鋼。根據(jù)密封環(huán)的工作條件，選擇以下工況進行數(shù)值模擬：工作壓力p=2.2MPa，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n=3 800r/min。根據(jù)移動元胞自動機算法進行密封環(huán)微觀摩擦磨損的仿真，基本流程如圖4所示。計算總時間為6.0μs，時間步長取6.0×10-5μs，每計算100步記錄一次數(shù)據(jù)，總計1 000組數(shù)據(jù)。

圖5和圖6分別表示PTFE和PEEK兩種復合材料密封環(huán)在相對運動中表層結(jié)構(gòu)的摩擦磨損變化過程。圖5(a)和圖6(a)分別為兩種復合材料密封環(huán)初始時刻表層結(jié)構(gòu)元胞分布圖，為了方便對比分析，圖5(b)和圖6(b)為6.0μs時刻密封環(huán)表層元胞連接鍵的連接結(jié)構(gòu)圖，圖5(c)和圖6(c)分別是圖5(b)和圖6(b)標示區(qū)域的局部放大圖。由圖5(c)可以了解元胞連接關(guān)系，圖中各網(wǎng)格之間的交點代表各個元胞的質(zhì)量中心，而兩個元胞質(zhì)量中心之間的短線斷開表示元胞處于非連接狀態(tài)，如圖中用圓形、矩形和平行四邊形標示的元胞結(jié)構(gòu)，它們與密封環(huán)本體處于脫離狀態(tài)，而兩兩元胞質(zhì)量中心之間有短線連接，則表明元胞處于連接狀態(tài)。從圖5(b)PTFE復合材料密封環(huán)元胞結(jié)構(gòu)圖觀察到，在密封摩擦副接觸過程中，有元胞被磨損脫落，散落在密封摩擦層中，由圖5(c)局部放大圖可知，被磨損的顆粒包括銅粉元胞和PTFE元胞，圖中用矩形圖框標示銅粉元胞，用圓形圖框標示PTFE元胞，大部分是小粒徑的松散磨損顆粒(圖中用點來表示，即元胞的質(zhì)量中心)，小部分是形狀和尺寸不等的其他磨損顆粒(如銅粉元胞和PTFE元胞)，與潤滑油元胞一起構(gòu)成機械混合層(圖中用平行四邊形圖框標示潤滑油元胞)。機械混合層在密封接觸過程中具有流動性，在一定程度上可以起到流體潤滑和固體潤滑的雙重效果[14]。但是如果磨損顆粒的粒徑較大，如圖5(c)矩形框圖標示的銅粉元胞，在摩擦過程中會被碾壓，參與摩擦過程，它附著在密封摩擦副兩接觸表面，會對密封表面造成新的損傷。

與圖5(b)出現(xiàn)的情況類似，圖6(b)PEEK復合材料密封環(huán)元胞在摩擦過程中，也出現(xiàn)了機械混合層，由圖6(c)可知，同樣由磨損脫落的元胞和潤滑油元胞組成，圖中用圖框標示的為磨損脫落的元胞。密封環(huán)表面的部分填充材料元胞，在摩擦過程中也出現(xiàn)了脫落的現(xiàn)象，圖中用圓形圖框標示二硫化鉬元胞，用平行四邊形圖框標示玻璃纖維元胞，可以觀察到玻璃纖維元胞與PEEK元胞一起被剝落的情況，如圖6(c)中大的矩形圖框所示。從圖5和圖6中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸元胞未出現(xiàn)磨損，而在初始時刻位于旋轉(zhuǎn)軸表面凹谷位置的潤滑油元胞，在摩擦過程中沒有發(fā)生變化，這樣表面凹谷形成了儲油空間，在此位置處的潤滑油未參與摩擦過程，實際上對密封摩擦副的潤滑造成一定程度的阻礙作用。

圖7示出PTFE和PEEK兩種復合材料密封環(huán)在模擬計算時間內(nèi)，從密封環(huán)上被磨損的元胞數(shù)目，即相鄰元胞對斷裂，元胞處于非連接狀態(tài)的數(shù)目。由圖可知，在2.0μs之前，被磨損的元胞數(shù)目為0，這是因為在計算中，這段時間是密封環(huán)和旋轉(zhuǎn)軸元胞由計算開始的分離狀態(tài)，逐步在壓力作用下開始接觸的階段，這時密封環(huán)和旋轉(zhuǎn)軸元胞之間的接觸摩擦力較小。在2.0μs以后，隨著時間的增長，磨損元胞數(shù)目逐漸增多，表明在密封接觸表面發(fā)生較為劇烈的摩擦行為。由圖7(a)可見，PTFE元胞的磨損率比銅粉元胞快，PTFE磨損元胞數(shù)目也比銅粉元胞多。結(jié)合圖5可知，PTFE密封環(huán)最大磨損深度是3個元胞，即15μm。由圖7(b)可見，PEEK元胞磨損增長率同樣較快，二硫化鉬元胞和玻璃纖維元胞磨損較少，特別是玻璃纖維元胞，磨損程度輕。結(jié)合圖6可知，PEEK密封環(huán)最大磨損深度是2個元胞，即10μm。僅從元胞磨損數(shù)目的比較來看，在模擬時間內(nèi)PEEK復合材料密封環(huán)耐磨性能要優(yōu)于PTFE復合材料密封環(huán)。

3 試驗對比分析

為了與仿真結(jié)果進行對比，在自制的密封環(huán)綜合性能試驗臺上進行相應的密封性能試驗[15]，試驗裝置如圖8所示。密封環(huán)安裝在主軸上，主軸貫穿于油腔中，另一端與變頻電機相連。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與主軸連為一體，試驗供油由專門的液壓站完成。

試驗密封環(huán)的材料為PTFE復合材料和PEEK復合材料。試驗所用密封環(huán)和旋轉(zhuǎn)軸的材料參數(shù)與仿真時一致，試驗條件為主軸轉(zhuǎn)速為3 800r/min，壓力為2.2MPa，也與仿真工況相同。

利用掃描電子顯微鏡對試驗中不同材料的密封試件進行表面形貌分析，如圖9所示。由圖9(a)可見，PTFE復合材料密封環(huán)已經(jīng)有銅粉顆粒在摩擦過程中從密封環(huán)本體脫離，在密封表面留下一明顯凹坑。同時有一銅粉顆粒出現(xiàn)松動，與材料本體連接減弱，如果進一步摩擦，將會導致這一銅粉顆粒被剝離。材料在摩擦過程中也出現(xiàn)了部分的表面損傷。另外，在密封表面發(fā)現(xiàn)附著有小顆粒，這是被磨損材料參與摩擦過程的結(jié)果。與圖5(b)仿真結(jié)果對比，可視化的模擬結(jié)果表現(xiàn)出了銅粉顆粒在摩擦接觸中脫離的過程，同時也表現(xiàn)出來機械混合層顆粒附著在密封摩擦副接觸表面的情況。由圖9(b)可見，PEEK復合材料密封環(huán)表面磨損情況比PTFE輕，同樣也發(fā)現(xiàn)有顆粒脫落后留下的凹坑，凹坑的區(qū)域面積較大，分析認為是填充材料和PEEK材料一起被剝離留下的痕跡，在圖6(b)仿真結(jié)果中，觀察到了玻璃纖維元胞和PEEK元胞一起脫落的情況，從材料顆粒磨損方面，試驗與仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

(1) 基于移動元胞自動機方法，對復合材料密封環(huán)磨損行為進行離散建模與仿真。開發(fā)出密封環(huán)摩擦磨損的移動元胞自動機數(shù)值仿真程序，可有效模擬復合材料的多種材料混合和分布不均勻性的特征，滿足了車輛傳動裝置復合材料密封環(huán)微觀動態(tài)磨損過程的模擬需求。

(2) 在微觀尺度模擬狀態(tài)下，PTFE和PEEK兩種復合材料密封環(huán)均呈現(xiàn)出較為強烈的摩擦過程，兩種材料在模擬時間內(nèi)均出現(xiàn)材料磨損，通過仿真計算，獲取了元胞磨損量隨模擬時間的變化情況。伴隨著密封材料的磨損，形成機械混合層。

(3) 進行密封環(huán)性能試驗，通過掃描電子顯微鏡觀察復合材料表面的磨損情況，與仿真結(jié)果進行對比，在材料顆粒磨損方面基本一致。

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A Simulation on the Microscope Wear State of Composite SealingRing Based on Cellular Automata Method

Gong Ran1, Zhang He2, Xu Yi2, Che Huajun1& Zhang Shupei1

1.SchoolofAutomotiveandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013; 2.ChinaNorthVehicleResearchInstitute,Beijing100072

Based on movable cellular automata method for discrete system, with consideration of the effects of multiple filled materials, a discrete model for the composite seal ring in the drive-train of a heavy-duty vehicle is created. With polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyetheretherketone (PEEK) two materials selected, a visualized comparative simulation on the microscopic friction and wear process of sealing friction pair is conducted, and the dynamic evolution of microstructure of sealing surface and the formation and development process of its mechanically mixed layer are visually observed. The microscopic wear of two composite sealing rings is analyzed by statistical calculation of worn cellular. Meanwhile a friction/wear test for sealing rings is performed to observe the surface morphology of two sealing materials by scanning electron microscope. The results show that the simulation results are well agree with test ones in respect of the particle attrition of material, verifying the effectiveness of the microscopic friction/wear simulation of composite sealing rings by movable cellular automata method.

heavy-duty vehicle; drivetrain; sealing ring; movable cellular automata; microscopic friction and wear

*國家自然科學基金(51005104)、江蘇省“六大人才高峰”項目(2014-JXQC-005)、江蘇省大學青年骨干教師培養(yǎng)工程和江蘇大學科技項目青年扶持基金(FCJJ005)資助。

原稿收到日期為2015年1月29日，修改稿收到日期為2015年4月29日。