《Materials》：Online Monitoring and Damage-Oriented Health Management of Multi-Disc Clutch Considering Digital Twin: A Review
汽车传动系统对安全性、舒适性和可靠性的需求日益提升,这使得多片离合器在役健康管理的必要性日益凸显。在严酷的热-机械条件下,摩擦部件经历渐进性退化和不可逆损伤,包括磨损、热劣化、结构失稳和疲劳开裂,这些最终可能导致失效。本文从损伤导向的视角系统综述了摩擦-磨损行为、热负荷、动态响应及损伤相关失效机制的最新进展,特别关注损伤分类、演化和定量指标。随后综述了数字孪生(Digital Twin, DT)技术的发展与代表性应用。在此基础上,综合构建了一个包含物理实体、虚拟模型、数据与软件系统以及知识库的多片离合器概念性自进化数字孪生(Self-Evolving Digital Twin, SEDT)框架。该框架集成了损伤感知传感与建模、多源数据融合、诊断、预测和维修决策,并阐述了其在变载荷下磨损预测中的预期应用。最后,讨论了基于SEDT的离合器健康管理当前的局限性、实施挑战和未来研究方向。
**1. 引言**
论文指出,汽车工业的快速发展对传动系统的响应速度、舒适性、可靠性和耐久性提出了更严格要求。多片离合器因其运行稳定、扭矩传递能力高、适于自动控制而被广泛使用。在服役过程中,多片离合器承受高温和接触压力等严酷热-机械工况,重复接合和长时间运行导致摩擦部件性能逐渐退化,缩短离合器寿命并危及行车安全。现有离合器健康管理方法存在若干局限:多采用系统级性能指标而未显式表征底层损伤演化;数据驱动方法依赖历史失效数据;缺乏根据运行状态动态更新健康评估和维修决策的能力。数字孪生(Digital Twin, DT)技术作为物理-数字融合的使能技术,为集成多物理知识、实时监测数据和损伤演化提供了途径。本文据此综合了一个面向多片离合器损伤导向健康管理的概念性自进化数字孪生(Self-Evolving Digital Twin, SEDT)框架,并明确了性能退化、材料损伤与功能失效三者之间的区别,强调损伤演化是连接退化与失效的关键环节。
**2. 多片离合器文献综述**
**2.1 多片离合器的结构、工作原理与损伤分类**
多片离合器主要由活塞、摩擦片、钢片、背板、保持元件及相应液压与润滑系统组成。摩擦片与钢片交替排列形成多个摩擦副,分别通过花键连接至主动和从动部件。接合时,液压驱动活塞压缩摩擦片组,使摩擦界面产生法向力和摩擦力矩;分离时,压力释放,摩擦副脱离。论文将损伤按主导演化时间尺度分为两类:渐进性损伤(磨损、材料劣化和疲劳累积)与快速失稳现象(热弹性失稳(TEI)引发的热斑和翘曲)。性能退化可通过摩擦系数(COF)、接合时间、摩擦力矩和热响应等指标量化,而物理损伤则需结合损伤敏感监测信息与物理模型或数据驱动模型进行估计。损伤阈值与摩擦材料、几何构型、润滑条件和运行载荷有关,需通过实验或验证过的物理模型标定。
**2.2 摩擦磨损**
摩擦磨损研究涵盖材料、COF、表面形貌和磨损预测四个方面。钢片和摩擦芯板常用65Mn钢,摩擦衬片常用铜基摩擦材料(CFM)或纸基摩擦材料(PFM)。Li等人考虑热劣化和机械效应建立了纸基摩擦材料的热流体动力磨损预测模型,再现了实验观察到的两阶段磨损行为。Gong等人根据实测磨损率将铜基摩擦材料的磨损图划分为超轻微、轻微和严重三种状态。COF是离合器摩擦性能的重要指标,其演化受运行条件和材料变化影响,需在可比压力、滑动速度、温度和磨合条件下评估其重复性。表面形貌方面,Birmingham参数中的表面算术平均峰曲率(Ssc)和平均斜率(Sdq)可改善湿式离合器摩擦材料剩余寿命的预测。磨损预测方面,相关研究发展了基于材料属性和运行参数的磨损预测方法、两阶段磨损计算程序以及支持向量机回归(SVMR)模型等。
**2.3 热负荷**
热负荷研究涉及热分布、热传导和热耗散。接合过程中摩擦功率可达数十千瓦,严重热负荷加速摩擦部件热损伤累积。温度场直接表征摩擦部件内的热分布,基于有限元的多物理场建模是研究离合器摩擦部件热-机械行为的主要方法。非均匀界面接触会产生显著的温度场空间变化,进而诱发热变形和接触压力重新分布,可能导致热弹性失稳(TEI)和热斑形成。热分配系数(HPC)是控制接触部件间热分布的关键参数,早期研究常采用半无限体、理想界面接触和常数HPC等简化假设,后续研究发展了稳态或时变HPC的确定方法。热耗散方面,润滑油流是湿式离合器的主要冷却机制,沟槽几何通过提供磨粒排出和润滑油输运通道而影响散热。论文比较了适用于在线温度估计的模型(如降阶热网络)与主要用于离线热分析的模型,指出损伤导向DT需要将离线标定与高效在线温度估计相结合。
**2.4 动态响应**
动态响应研究包括摩擦力矩、接合抖动和控制策略。摩擦力矩模型在物理保真度、计算成本和适应性方面存在差异:简化等温模型和集总参数模型计算效率高,但精度依赖预设摩擦系数;动态摩擦模型可表征非线性摩擦行为与退化相关变化;耦合润滑-接触模型可捕捉粘性和粗糙峰接触力矩、温度效应及摩擦副间相互作用。接合抖动是异常动态现象,负摩擦梯度引起的负阻尼是离合器抖动的主要机制之一,增大扭转刚度或静态COF可缓解该现象。控制策略方面,模型预测控制、自学习模糊控制、自适应PID等已被用于接合扭矩控制和离合器滑差控制。论文指出,基于更新的虚拟模型,监督控制器可确定目标液压压力曲线以调节离合器接合,同时满足压力、滑速和热约束。
**2.5 失效**
失效是累积损伤超过临界阈值并导致功能或承载能力丧失的最终状态。主要损伤机制包括热弹性失稳(TEI)、机械诱导结构失稳和疲劳相关材料损伤。TEI在相对滑动速度超过临界值时可能发生,导致局部热斑和严重热梯度。Zagrodzki和Truncone通过数值模拟和实验证明,摩擦材料特性和盘几何强烈影响TEI的起始和演化。机械翘曲方面,通过外花键传递的扭矩超过临界翘曲扭矩时,钢片可能发生高阶周向翘曲;基于Mindlin板理论的分析表明,临界翘曲扭矩及其形态取决于边界条件、半径比和厚度比。疲劳裂纹方面,反复热载荷产生循环应力,促进摩擦表面宏观裂纹的萌生和扩展;相关铁路制动盘研究表明,主裂纹主要沿径向扩展,但这一规律是否适用于湿式多片离合器钢片还需进一步验证。
**2.6 现有局限性**
现有研究存在三方面主要局限:一是许多模型将多片离合器简化为轴对称单摩擦副系统,忽略各摩擦部件之间的差异和相互作用,需要发展高保真系统级模型;二是虽然基于振动的方法已证明可对湿式离合器翘曲状态进行分类,但内部损伤状态的连续估计仍具挑战性,需要进一步研究如何联合解释振动、声发射、扭矩和热测量以估计底层损伤状态;三是现有离合器健康管理方法多为离线或反应式,延迟干预可能导致不可逆损伤累积,需要实现在线损伤诊断、预测和健康管理策略。
**3. 数字孪生的发展**
**3.1 起源**
DT的早期概念可追溯至2003年Grieves在产品生命周期管理(PLM)背景下提出的镜像空间模型(MSM),确立了由物理空间、虚拟空间及二者间数据和信息连接组成的基本结构。2011年,美国空军研究实验室将其用于飞机结构寿命预测;2012年,NASA和美国空军研究实验室进一步将DT正式定义为集成多物理、多尺度和概率建模的服役飞机高保真表示。
**3.2 相关工作**
DT架构已从基本的物理-虚拟表示发展为集成数据、服务和持续交互的框架。Tao等人提出了由物理实体、虚拟模型、服务、DT数据和连接组成的五维DT模型。DT在设计与制造领域有数字孪生车间(DTW)等应用;在设备健康管理领域,已被用于性能预测、故障诊断、损伤预测和寿命评估;在环境与生活服务领域,已扩展到能源管理、船舶运维、医疗健康管理和智慧城市等。
**4. 概念性SEDT架构**
SEDT架构将物理实体、虚拟模型、数据与软件系统和知识库组织为四个功能组件。论文指出,该架构的贡献在于面向多片离合器的损伤导向综合,而非开发新的通用DT架构。
**4.1 物理实体**
物理实体是DT建模的基础,包含具有可测几何、材料、结构和运行属性的真实部件与子系统,应配备足够的感知和通信能力以支持多源异构数据的实时采集与传输,并提供足够的驱动与控制接口以支持运行自适应调整。
**4.2 虚拟模型**
虚拟模型是物理实体在虚拟空间的高保真表示,应集成几何、材料属性、运行条件和损伤相关行为,并动态更新。构建时需考虑:表示单个部件属性及部件间耦合约束;根据重要度分配模型保真度;纳入退化与损伤相关状态变量以反映在役状态演化。
**4.3 数据与软件系统**
数据与软件系统连接物理空间与虚拟空间,包括传感设备、数据采集硬件、通信接口和软件平台。有效的数据孪生需要协调数据采集与数据交互:先识别所需状态变量和损伤相关指标,再配置传感器和数据采集设备;软件平台应提供标准化接口以实现异构传感器、设备、数据库和虚拟模型之间的通信。
**4.4 知识库**
知识库提供结构化信息和推理支持,功能组织为知识表示、概率推理和决策支持三个层级:表示层可采用本体和知识图谱关联部件、运行条件、损伤机制、监测指标和维修动作;推理层结合监测特征和虚拟模型输出更新损伤状态概率和退化预测;决策层根据估计结果评估失效风险并选择维修动作。信息交换遵循闭环过程,但常规数据积累或参数更新本身不构成自进化,更高级别的演化需要基于证据的损伤模型表示或知识规则修订并经过独立验证。
**5. 面向多片离合器损伤导向健康管理的SEDT文献综合**
**5.1 物理实体:损伤感知离合器系统**
以自行研制的离合器试验台为示例物理平台,论文提出了损伤导向监测系统的传感器布置方案:主从动侧转速传感器确定相对滑动速度;扭矩测量表征传递载荷;液压压力传感器估计接合活塞回路的作用力;润滑油入口和钢片选定位置的温度测量支持热状态评估。磨损状态标定可由活塞位移测量或定期摩擦衬片检查支持。
**5.2 虚拟模型:离合器损伤感知数字孪生**
虚拟模型是损伤状态估计和演化建模的主要表示。首先利用CAD工具建立高保真三维模型表示几何、装配约束和材料分布,再用多物理场仿真工具建模接合动力学、摩擦力矩演化、热-机械耦合等过程。损伤相关变量需与直接观测的性能指标区分:测量压力、速度、扭矩和温度先用于表征运行条件,再通过物理模型估计难以直接测量的内部响应,损伤演化模型进而将这些运行状态与磨损深度、热劣化或结构变形等底层损伤变量关联。物理信息机器学习(PIML)可作为高保真多物理场仿真与纯数据驱动预测之间的中间建模方法,但不能消除对损伤状态可观测性、独立标定测量和预测精度验证的需求。
**5.3 数据与软件系统:多源损伤特征融合**
数据与软件系统负责多源运行和损伤相关数据的采集、传输、处理、存储和管理。原始信号经滤波、同步、归一化和特征提取后映射至虚拟模型状态。不同测量通道提供不同层次的损伤信息:扭矩、转速和温度主要表征运行和热响应;振动特征已用于湿式离合器翘曲状态分类;声发射信号可估计滑动接触中的摩擦特性;专用活塞位移测量可在标定条件下直接监测离合器片组磨损。
**5.4 知识库:损伤诊断、预测与健康管理**
知识库是SEDT框架的推理与决策支持核心。论文综合了损伤诊断、退化预测、剩余使用寿命(RUL)预测和维修决策的功能框架。可采用贝叶斯状态空间模型从噪声观测中估计潜在损伤状态,用随机退化模型预测失效概率和RUL分布,维修决策可采用马尔可夫决策过程(MDP)或部分可观测马尔可夫决策过程(POMDP)方法。计算可行性是实时贝叶斯推理和POMDP优化的主要约束。
**5.5 说明性应用场景:变载荷下的磨损预测**
论文给出了一个完全合成的变载荷磨损预测示例,采用Archard型磨损模型。三个连续运行块各包含10,000次接合,代表性接触压力分别为1.0、1.5和2.0 MPa,滑动速度分别为7、10和13 m/s。假设有效磨损系数为1.2×10
-4 μm/(MPa·m)生成合成观测,估计器初始系数为1.0×10
-4 μm/(MPa·m),生成的累积磨损观测值分别为4、13和29 μm。初始模型预测第一块后累积磨损深度3.50 μm,更新后预测后续块累积磨损深度为12.57和28.36 μm,与合成观测13和29 μm一致。示例仅证明所述信息流的数值可行性,而非经实验验证的磨损预测精度。
**6. 机遇与挑战**
DT的快速发展反映了工业系统对数字化、智能运维和物理-数字融合的日益增长需求。跨领域应用、与新兴技术(先进传感、大数据分析、云计算与边缘计算、人工智能等)的集成以及标准化和政策支持为SEDT发展提供了机遇。挑战包括:标准化与互操作性、计算效率与实时数据处理、系统集成与数据安全及可扩展性。
**7. 结论与未来工作**
论文的三点贡献为:系统综述了多片离合器在摩擦磨损、热负荷、动态响应和损伤相关失效机制方面的最新进展;综合了由物理实体、虚拟模型、数据与软件系统和知识库组成的概念性SEDT架构;以现有离合器试验平台为例说明了SEDT框架的预期实施,重点关注损伤感知传感、虚拟建模、多源数据融合、诊断、预测和维修决策。未来工作应聚焦于集成闭环实现、损伤状态估计与RUL预测的实验验证、实时模型更新效率提升以及框架跨不同离合器系统的鲁棒性和可移植性评估。
