大冲击摩擦耗能装置结构设计【文献综述】.doc

1、1毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化大冲击摩擦耗能装置结构设计摘要摩擦耗能器是一种耗能性能良好、构造简单、造价低、制作方便的耗能装置。本文主要介绍了摩擦耗能器的发展历史、耗能原理、摩擦片的材料的研究情况，同时也介绍了摩擦耗能器在桥梁防撞等大型冲击中的应用。关键词桥梁防撞；恒阻力；C/C复合材料；摩擦耗能O引言为了拦截具有巨大动能的船舶，人们已经提出了桥梁抗船舶撞击拦阻索系统如日本本州四国连络桥，该拦阻索系统是将浮体和链条或钢丝绳、铰链相互连接而成，浮于水面或水中。船舶撞击索链或浮体时，浮体之间的索链挡拉住冲撞的船舶，船舶和浮体一起移动，而浮体拖着拦阻索可移动几十至上百米，拦阻索上有一摩擦耗

2、能装置，可产生很大的恒阻力，所以该系统可完全吸收船舶的巨大动能。1摩擦耗能装置摩擦与人类的生活和生产是密不可分的,早在4千年前古埃及人就已懂得摩擦学原理,他们利用滚动减小摩擦搬运石雕巨像。在土木结构工程中利用摩擦减振大约在一两千年前。而系统地开发研制摩擦耗能器在结构工程中减振还是从1972年JTPYAO姚冶平提出结构振动控制概念开始的。目前,研究开发的摩擦耗能器主要有普通摩擦耗能器、PALL摩擦耗能器、T形芯板摩擦耗能器、T形芯板拟粘滞摩擦耗能器、钢管摩擦耗能器、压电T型变摩擦耗能器。摩擦耗能器由于其减振效果好、构造简单、造价低廉、安装和维护方便等特点现已被应用于多幢建筑中1。11摩擦耗能装置

3、的发展史人们很早就已认识到摩擦可以阻止两接触的固体产生相对滑动，并将这种作用应用于很多机械。在某种程度上，摩擦装置相当于自动闸。基于这种思想，PALL1980年提出了用摩擦耗能器来提高结构的抗震性能，他首先设计出了有限滑动螺栓装置2。我国在这方面的研究也开展的比较早，陈宗明等1988年研制的摩擦剪切铰耗能支撑装置具有明显的减震效果。叶燎原等1988年立足于我国实际情况，提出的钢筋砼支撑钢板一橡胶摩擦耗能装置，因其造价低、性能高、易生产、便施工，很适合在我国推2广使用3。欧进萍等1997年在PALL摩擦耗能器优点的基础上提出了可用于工程的组合钢板耗能器4。除此之外，周云等1998年研制开发了圆环

4、耗能器、双环耗能器、弹塑性一摩擦复合耗能器等多种新型实用的耗能器5。1999年，周云、邓雪松、刘季合作研究开发了钢屈服一摩擦复合耗能器，具有构造简单、形状紧凑、体积小、造价低的优点。东南大学王曙光等1999年设计的一种新型弹塑性一摩擦复合耗能器6，该耗能器由耗能圆环和摩擦元件组成，并综合利用了外部圆环弹塑性变形耗能能力和内部摩擦元件摩擦耗能能力。12基本原理目前市面上的摩擦耗能器均是利用固体间滑动摩擦来实现耗能的机械装置。在滑动过程中，接触面应尽量保持干燥，并且耗能器在整个使用过程中，最主要的是保持连续、可知的摩擦反应，这有赖于固体的表面情况，但环境也会对其产生影响。121固体摩擦干燥摩擦的研

5、究已有很长一段历史，较著名的有达芬奇，阿曼顿斯和库仑的理论其基本原理基于以下假设1总摩擦力大小依赖于接触面表面情况。2总摩擦力大小与施加在接触面的力的大小成正比。3若两接触体相对滑动速度较小，则摩擦力与速度无关。根据以上假设，可以得到下式FN1其中，F、N分别为摩擦力与作用力；为摩擦系数，由于滑动前的摩擦系数与滑动过程中的系数不同，故分别定义为静摩擦系数错误未找到引用源。和动摩擦系数错误未找到引用源。而且，摩擦力F与运动趋势或者运动方向相反。库仑摩擦理论为摩擦耗能器的研制奠定了理论基础，但两固体的材料及滑动界面处发生的无数物理、化学反应，都会影响到值，将看作常量并不符合实际情况。现代的固体干燥

6、摩擦理论主要集中于确定真正的接触面以及研究发生在界面附近处的变形过程，包括弹性、弹塑性、不光滑处的粘塑性反应、表面膜、残余颗粒、酶作用物。显然，要对所有因素进行分析是很困难的，与金属塑性理论相比，滑动摩擦还没有成熟的理论依据，因此更多是依赖试验。122环境影响材料在滑动中会沿着耗散能量的界面局部发热，使材料软化或加速其氧化。最典3型的是摩擦耗能器中的这种滑动系统，耗能器周围的环境如空气湿度，或引起耗能器发生物理、化学反应的污染物，都会改变摩擦界面的物理、化学特性，从而影响摩擦反应。尤其在复杂的环境里，腐蚀会加重这一影响，包括裂缝腐蚀和不同金属接触导致的腐蚀。对前一种腐蚀，裂缝的几何形状对其影响

7、很大，开裂严重的地方氧化加速，但氧气缺乏的地方如螺纹节点处，被夹紧的面，因缺乏氧气而腐蚀缓慢不同金属接触腐蚀指的是在腐蚀性空气中，两种不同金属间存在一种直接的电的接触。比如，若把潮湿的钢铁和铜放置在一起，钢铁的腐蚀速度会加快。目前要对氧化历程做出定量的预测还不可能，必须求助于物理试验来决定在特定环境中腐蚀的程度，并探知腐蚀在滑动体系中对摩擦特性的潜在影响。周云和邓雪松1999年对影响摩擦耗能器性能的因素总结为以下几方面1摩擦元件类型；2摩擦片和接触面处理情况；3高强螺栓的影响；4摩擦元件和孔槽的几何尺寸；5使用时间；6滑动速度与温度；7循环次数；8外荷载类型；9加工精度7。2桥梁防撞随着船舶运

8、输事业的不断发展,受船舶撞击而诱发的桥梁垮塌事件正在日益增多。这类事件往往引起桥梁结构、使用寿命、安全性及抗震能力的损失,严重的更会造成桥毁人亡等灾难性后果,重建桥梁和疏通航道的费用也十分惊人。因此,开展船桥碰撞及桥梁防撞结构形式的研究,对提高桥梁的耐撞性具有十分重要的意义8。21桥梁船撞研究船撞桥问题的系统研究始于1978年。美国发生了众多船舶撞毁桥梁的恶性事故之后，马里兰大学土木工程系在美国政府的支持下率先开展了桥梁及桥墩的防撞保护系统的研究，并出版了一个反映研究成果的报告。1983在丹麦大带海峡跨海工程的背景下，国际桥梁与结构工程学会IABSE在哥本哈根举办了世界上首次关于船桥的碰撞国际

9、学术研讨会。会议建议建立反映船桥碰撞事故的国际数据库。1991年美国各州公路和运输官员协会AASHT0出版了公路桥梁防撞设计指南，首次对公路桥梁的船舶撞击设计提供了指导和依据。LARSEN1993编写了IABSE文件船舶与桥梁的碰撞，系统的阐述了桥梁船舶撞击风险及防撞设计问题。1995年国际PIANC工作小组成立，专门研究船撞桥的问题。工作小组主要工作就是对所有可航水道即内陆水道、港口人口和海峡的桥梁、各种类型的桥、各种船舶进行研究，对所有可能发生碰撞的桥梁组成部分，如桥墩、上部结构进行研究。422桥梁船撞原因分析针对大量的桥梁船撞事故，国内外众多学者作了大量的现场调查和统计分析如DAYTON

10、对美国81L起内陆河船撞桥事故的调查，PARAMORE对人为因素导致的船撞事故的影响进行了分析。综合众多统计分析结果可知，造成碰撞事故的因素是很多的。一般来说，主要因素有以下几种221人为操作失误包括有1驾驶船舶时不专心；2由于醉酒、疲劳造成反应迟钝；3误凄仪器数据；4误读海图或注释；5违反航行交通规则；6错误估计水流和风速等。222船舶机械失效包括有1引擎机械失灵；2驾驶机械或电气失灵；3其他由于设备老化引起的失灵。223不利的通航条件包括有1能见度低大雾，暴风雨等；2船舶交通量太大。224航道设计不合理以上是船撞桥事故的常见原因。一般的船撞桥事故是其中的多种因素组合所致。23桥梁防撞系统的

11、研究及应用对于桥墩防撞措施，许多研究者提出过各种方案，主要有231人工岛在桥墩前用沙子、碎石或混凝土将桥墩周围建立人工岛，使船岛上搁浅而停下，这种方法具有很好的防护效果，安全可靠，且不伤船体。但其缺点是在水位变化大的地方不便使用，在流速大的地方易被冲刷。此外，防撞人工岛的边坡平缓，易使航道变窄。当水深较大时，其造价迅速提高。232缆索拦截缆索的端部锚固于水底，缆索和锚之间有缓冲装置，用来吸收船的动能。采用浮筒使缆索浮于水面，以便拦截船舶。这种方法的可靠性不佳,由于船头有倾斜角，缆索可能从船底滑过而不能起拦截作用。因为它会占去相当宽的航道，故较适合于主航道以外使用。233护桩桥墩前船舶可能的碰撞

12、位置设置防撞桩，以达到防护的目的。由于船舶可能从多个方向对桥梁造成冲击，因此必须设置一定数量的护桩才能保证防护效果。5234桩群在桥墩周边设置多根钢管桩，并通过多层水平系杆将各个钢管桩相连，从而保证其协调变形。钢管桩防撞系统通过柔性连杆与桥墩系统相连。这样可以通过钢管桩系统来抵抗船舶对桥梁的撞击作用，避免桥墩系统受到损坏。235浮围通过在桥墩周围安装钢格子浮围，利用浮围的变形吸收船的动能，使经过浮围传到桥墩上的力被限制在允许的范围内。这种方式成本不高，简单易行，不会过多地占用航道。我国上海奉浦大桥和黄石长江大桥采用了这种防护方式。这种方式按大船相撞时吸能要求制作，小船撞坏少、大船撞坏多，逐步撞

13、坏逐步吸能。由于此圈子在吸能相当大时大致与一艘船的尺度相当，故撞后需要修理。其它还有一些常用的桥梁防撞装置如围堰、半围堰、复合钢浮围等，均具有较好的防护效果。表2显示了国内外一些典型的桥梁防撞系统9。63CC复合制动材料由于船舶正常行驶时动能十分巨大，而要通过摩擦耗能来实现桥梁的不防撞，就需要能耐高温的材料来做摩擦片。想应用自适应恒阻力缆索防船撞装置，就应找到能提供恒阻力的装置，我准备应用刹车装置来提供这个定阻力，并应用C/C复合材料做摩擦片。31C/C复合材料发展史自20世纪60年代以来,世界发达国家竞相开发,将C/C复合材料首先用于战略导弹鼻锥端头帽、固体火箭发动机喷管喉衬、扩张段等关键部

14、件。同时,由于C/C复合材料具有摩擦特性好、吸热能力强,使用寿命长等突出特点,英、美、法等国在20世纪60年代末、70年代初几乎同时将C/C复合材料用于飞机制动材料。目前已逐步取代金属刹车副,成为最先进的刹车副材料,并由该三国的五大公司垄断了炭刹车盘的国际市场。全世界已有40种以上的民机和22种以上的军机采用了炭刹车盘,其年产量占世界C/C复合材料总产量的90以上1012。我国在1972年启动军机炭刹车盘的研究工作,主要有华兴航空机轮公司、兰州炭素厂、上海炭素厂等单位。由兰州炭素厂研制的炭刹车盘于1990年7月在歼7M型飞机上首次飞行成功13。1998年由华兴航空机轮公司研制炭刹车盘在某重点型

15、号军机正式装机应用,实现了我国C/C复合材料具有里程碑意义的第二个重大突破。20世纪90年代初期启动民机炭刹车盘的研究工作,有中南大学、航天43所、航空621所、华兴航空机轮公司、烟台冶金新材料所等单位。经过艰辛攻关,已先后用于新舟60型飞机、波音757200型飞机,实现了我国C/C复合材料具有里程碑意义的第四个重大突破。32炭刹车盘材料的制备国内外10种炭刹车盘材料的制备方法,见表1。在预制体成型方面主要有3种方法炭布或针刺薄毡叠层、针刺炭纤维预氧化纤维准三向整体结构、短纤维树脂模压成型在致密化工艺方面,采用等温法、压差法、热梯度CVI致密工艺,树脂浸渍炭化致密工艺,以及二者相结合的致密工艺

16、等5种方法。733热学性能热库功能是作为飞机炭刹车盘材料的三大功能之二,要求有较高的导热系数,以降低摩擦面的温度。炭刹车盘材料的热学性能与预制体中炭纤维的取向、含量,炭基体的类型、微观结构,以及材料的密度和各种缺陷相关,并受热处理温度制约,国内外炭刹车盘材料的热学性能见表4。表4结果表明,炭刹车盘材料的导热系数因纤维的取向而呈各向异性特征,国内炭刹车盘由于采用针刺准三向整体结构预制体,轴向有炭纤维束,经CVI工艺后,打通了导热通路,使轴向导热系数显著提高,比国外炭刹车盘材料高出1倍多,有利于降低摩擦面的温度,使摩擦系数更趋稳定。炭纤维与炭基体的线膨胀系数存在较大的差异,炭纤维高温下轴向的线膨胀

17、系数约为1181错误未找到引用源。/,而径向竟高达7131错误未找到引用源。/炭基体高温下的线膨胀系数约为51错误未找到引用源。/。正是由于上述的差异,导致了炭刹车盘材料线膨胀系数呈现各向异性的特征。因炭刹车盘材料水平方向线膨胀系数主要受炭纤维轴向线膨胀系数所支配,为此其线膨胀系数均较低,而国外短纤维模压成型的炭刹车盘材料,由于纤维不连续,受基体8炭属性的影响,其水平方向的线膨胀系数仍较大14。34摩擦磨损性能1521摩擦磨损性能是CC复合材料作为刹车盘的首选指标。炭刹车盘的摩擦磨损性能与炭纤维的取向、含量，炭基体的类型、微观结构以及材料的密度密切相关,并受热处理温度制约。特别是热解炭的微观结

18、构对摩擦磨损性能产生重大影响。国内外10种炭刹车盘材料的小样测试结果见表5。表5结果表明,摩擦系数最小、且质量磨损率最大的是美国ALS公司的MD11、B767纤维模压成型炭刹车盘材料。由于该材料的炭基体全部是树脂炭,主要以乱层结构为主,微晶尺寸很小,在制动过程中,产生硬相的粉末状磨屑,这些磨屑在剪应力的作用下难以形成连续的磨屑层,易从摩擦面间滑落,因而加大了磨损率。以热解炭基体为主的炭刹车盘材料中,微观结构全部为光学粗糙层结构,但有细微的差异,8种炭刹车盘材料的摩擦系数波动在030037范围内,均属较高水平。其磨损率随石墨化度的提高呈降低趋势。这是因为石墨化度越高,石墨晶体更趋完善,化学稳定性

19、越高,微晶尺寸较大。在制动过程中软炭结构的粗糙层热解炭易形成光滑、完整、连续的磨屑层,有自润滑作用,可使摩擦系数稳定在较高水平,而且降低了磨损率。35复合材料摩擦片的成果法国研制的“SEPCARBSA3D”的CC复合材料，由于其比热大、膨胀系数小和弹性模量小，因此具有优良的耐高温特性22。它能在1000温度下正常工作，能耐2000高温23。这种CC材料盘形制动器已分别在TGVPES和TGVA列车转向架上使用24。日本也对这种材料在禽廷列车上的应用进行了实验研究，图5为采用小型盘垫式试验片进行高速摩擦试验的结果。94结语我的研究课题是大冲击摩擦耗能装置结构设计。对于该课题首先要确定的是应用的方向

20、，摩擦耗能装置的材料。这次我主要把它应用在桥梁的防撞上，采用自适应恒阻力缆索防船撞装置。由于船舶行驶的动能非常的大，而要把如此大的动能通过摩擦耗能装置消耗掉主要的问题就是要找到一种能耐高温的摩擦片材料。从收集的文献上看CC复合材料是一种比较合适的选择。参考文献1王晓天,邹向阳,刘丽华,王玉英,王树范摩擦耗能器发展概况评述J长春工程学院学报（自然科学版），2008，9（1）14182黄伟基于摩擦耗能减震的结构控制研究与应用J四川建筑科学研究，2006，32（4）1011053潘文，叶燎原低造价耗能支撑装置及其计算模型Z中一意隔震消能合作研究专题研讨会，19974欧进萍，吴斌组合钢板屈服耗能器性能

21、及对其高层钢结构减振效果的试验研究J建筑结构学报，2001，22126325周云，刘季新型耗能阻尼减震器的开发与研究J地震工程与工程振动，1998，L817L79106王曙光耗能支撑钢筋砼框架结构的抗震性能研究及工程应用D博士论文南京东南大学，19997张津娟，潘文，叶燎原国内外摩擦耗能器研究进展J昆明理工大学学报理工版，2004，29（1）84888范彬，王林船桥碰撞及桥梁防撞结构研究J华东船舶工业学院学报自然科学版，2005，19（4）159孙文兵，毛海涛防撞系统在桥梁工程中的应用J国外建材科技，2007，28（5）9610210SCHMIDTDL,DAVIDSONKE,THEIBESLS

22、UNIQUEAPPLICATIONOFCARBON/CARBONCOMPOSITEMATERIALSJSAMPE,1999,353273911FITZERE,MANOCHALMCARBONREINFORCEMENTSANDCARBON/CARBONCOMPOSITESMVERTAGSPRINGER,199812苏君明C/C喉衬材料的研究与与发展J炭素科技，2001，1L161113浦保健,浦继强飞机炭刹车盘的快速气相沉炭J新型炭材料,2000,154272914苏君明，杨军，等C/C复合材料飞机刹车盘的结构与性能J新型炭材料，2006，21（1）818815REZNIKB,GERTHSEND,

23、JHUTTINGERKMICROANDNANOSTRUCTUREOFTHECARBONMATRIXOFINFILTRATEDCARBONFIBERFELTSJCARBON,2001,39221522916蒋建纯，黄伯云，熊翔炭/炭复合航空刹车材料的结构完整性对摩擦系数的影响J新型炭材料，2003，18211111517苏君明，肖志超，孟凡才混合炭基体与高能量刹车时的高摩擦特性A新型炭材料编辑部第六届全国新型炭材料学术研讨会C昆明2003，40540818罗瑞盈C/C复合飞机刹车材料的研究和应用现状J宇航材料工艺,1997，27（5）71019于澍,刘根山,李溪兵不同C/C复合材料飞机刹车盘基本

24、性能的对比分析J复合材料学报,2003,203354020苏君明，崔红，李瑞珍，等新型针刺炭布C/C复合材料的结构与性能J新型炭材料，2000，152111521李新春,易茂中,冯一雷,等C/C复合材料特性对其摩擦磨损性能的影响J新型炭材料,2005,2021511561122石宗利，杜心康高速列车制动闸片材料的现状与发展J兰州铁道学院学报，1997，16（4）485223BKYEN,TADASHIISHIHARAANINVESTIGATIONOFFRICTIONANDWEARMECHANISMSOFCARBONCARBONCOMPOSITESINNITROGENANDAIRATELEVATEDTEMPERATURESJCARBON,1996,34448949824BVENKATARAMAN,GSUNDARARAJANTHEINFLUENCEOFSAMPLEGEOMETRYONTHEFRICTIONBEHAVIOROFCARBONCARBONCOMPOSITESJACTAMATERIALIA,2002,5011531163