制动压力加载方式及盘厚对制动盘表面温度影响

2019年3月第3期

GansuScienceandTechnology甘肃科技

Vol.35

Feb.2019No.3

制动压力加载方式及盘厚对制动盘表面温度影响

陈伟1袁李楠2

渊1.山西农业大学城乡建设学院袁山西太谷030800曰2.兰石能源装备工程研究院有限公司国家级工业设计中心袁甘肃兰州730030冤摘

要院运用ANSYSWorkbench建立某型风机液压制动系统的热-固耦合动力学模型袁分析制动压力加载方式及不同盘厚渊30mm,35mm,40mm,45mm,50mm冤对制动盘表面温度的影响遥最后利用试验进行了验证袁结果表明:渊1冤盘厚对制动过程中其表面最高温度影响很大袁盘厚为35mm时袁其表面最高温度最小曰渊2冤不同制动压力加载方式将产生不同的温度分布袁随制动压力加载时间的增加袁表面最大温度显著降低袁最大压力加载时间应大于等于0.8s时为最佳压力加载时间遥关键词院制动盘;最高温度;制动方式;结构优化;热-固直接耦合中图分类号院TH137.1

1概述

制动盘的制动过程涉及到复杂的多物理场耦

先逐渐加压后恒压制动尧逐渐加压但加压时间不同等控制方式进行对比分析袁得出最优制动方案曰通过一系列不同盘厚的制动盘模型分析对比袁对制动盘厚度尺寸进行轻量化优化设计遥

合问题袁且制动器制动过程中摩擦副所吸收的能量巨大袁制动产生大量的摩擦热导致结构急剧升温袁严重地影响着材料的物理要力学性能及化学性能袁对设备的制动稳定性尧使用寿命等产生重要影响袁引发严重的安全隐患遥因此袁减小摩擦产生的热量成为制动系统正常运转的重要举措遥

了大量的研究[1-3]袁一般主要有三种方式院渊1冤通过制动系统以及与之相连接的结构部件来进行热传递[4,5]曰渊2冤增加对流的措施袁如Lyons和Duzgun等[6,7]应用空气喷射器来增加对流系数以达到加快对流的目的曰渊3冤利用优化制动盘表面结构形状来进行快速散热曰Yildiz等研究了通风式制动盘改变制动盘表面结构来减小温度的影响曰Adamowicz等

[10,11]

[8,9]

2

2.1三维温度场数学模型

热固耦合计算模型

假设制动压力均匀加载在盘和摩擦片接触面

上袁摩擦系数在制动过程中保持不变遥根据传热学理论袁各向同性无内热源的材料袁其在直角坐标下的热传导方程渊1冤为:

如何降低制动过程产生的热量袁相关学者进行

渊1冤

式中:下标p表示制动盘袁下标m表示摩擦片袁籽为密度袁T为温度袁姿为导热系数袁c为比热容遥

摩擦片与制动盘材料的相关性能参数如表1所示遥制动过程中袁在压力加载下制动盘及摩擦片会产生很高的温度袁大部分热量被两个接触面吸收袁制动盘和摩擦片的表面存在热传导尧热流输入尧以及对流散热遥制动盘和摩擦片接触面之间存在热流输入和热传导袁热流密度分别院

渊2冤

其中院f(t)为不同时刻的摩擦因数曰p为接触面压力曰淄(x,y,t)为接触点的相对速度曰A为热流分配系数袁满足

袁其中A+Am=1遥

研究

认为制动方式除了引起热流强度不同袁也会引起对流冷却的不同袁共同对制动盘的温度产生影响遥总之袁有许多降低制动系统温度的方法袁无疑最易实施且有效的方法是通过改变制动压力加载方式袁然而文献中很少有关于制动压力加载方式对温度影响的报道遥

本文采用有限元模拟方法袁通过热-固直接耦合的方法袁其制动过程更接近实际情况袁考虑制动过程中各物理场间的直接耦合作用袁模拟精度更高袁对实际工程指导具有更可靠的参考意义遥改变制动过程中制动器压力加载方式袁对其恒压加载尧

24甘肃制动盘吸收热量以后袁同时沿轴向尧径向向自身内部进行热传导袁传热速率与材料传热特性有关遥摩擦片的接触面只存在热流密度输入袁制动盘的接触面另外存在与空气的对流散热院

渊3冤

其中院Tn为环境温度也是制动盘初始温度袁nxn袁

y袁nz为面外法线方向余弦遥2.2材料参数

有许多因素袁如相关几何物理材料参数可对盘式制动器的热一结构有限元分析结果能够产生影响[12]态约遥为制5r/min动盘的渊0.524rad/s几何物理冤袁材所料参以数制院动风盘制机转动速过正常程最状

初旋转速度并不高袁与空气相对速度也不高袁可近似认为处于自然对流状态袁而制动片实际工况固定不动袁也为自然对流状态遥本文将对流换热系数作为常数处理袁根据查阅资料[13](m窑K)遥边界条件参数对制动袁器自性能然对具流有状本态质为影响10W/针对风力发电机的特点袁液压制动器制动工况恶袁劣袁重点研究制动压力加载方式袁以及制动盘厚度对制动盘表面温度的影响袁见表1遥

表1制动盘与摩擦片材料的相关性能参数

注2.3院摩擦片长宽分别为有限元模型

215mm/106mm遥

对模型进行简化袁忽略制动盘上的深孔袁将制动片简化为接触面积相当的5对立方体模型袁为解决计算时间和精度的矛盾袁将制动盘分为内盘和外盘两部分袁与摩擦片接触区域的网格细化遥

图1制动盘三维模型

图2制动盘有限元简化模型

科技第35卷

制动盘三维模型及有限元简化模型如图1袁图2所示袁全部划分为六面体网格遥对于制动盘袁允许其绕垂直盘面的中心轴的转动袁其他转动和平动自由度曰对制动片袁其盘面的位移袁并施加原设计的制动压力遥

3

3.1结果制动压与力讨加载论

方式对制动盘温度的影响

整个制动过程是在环境温度中进行的袁制动系统与周围环境存在对流换热袁在本文中选择10个摩擦片的表1面为对流换热面遥改变制动过程中制动盘压力加载方式袁先逐渐加压后恒压制动袁逐渐加压但最大压力渊16MPa冤加载时间不同的控制方式进行对比分析袁见表2院

表2不同压力加载时间与制动时间规律

最大压力所达时间/s0.20.4

0.6

0.81.01.2制动时间/s

1.79

1.791.8

1.8

1.79

1.79

逐渐加压袁最大压力所达时间不同渊0.2s袁0.4s袁0.6s律遥袁从0.8s表袁21.0s可以袁1.2s看出冤制时动的盘制制动动盘时表间面约温1.794s度变袁化这规和实际工程中600KW液压传动和静压蓄能风力发电机制动系统制动时间1.786s基本保持一致,见图5遥在本文中制动盘旋转变化情况遵从公式渊4冤院

渊4冤

其中N为制动盘旋转转数袁t为时间遥先选择制动盘厚度为35mm,则制动压力加载方式对制动盘最高温度的影响变化规律院

图3制动压力加载方式对制动盘最高温度的影响

图3为制动压力加载方式对制动盘最高温度的响袁纵坐标Tmax表示制动器最高温度袁横坐标t表示加载最大压力所达到的时间袁可以看出袁随着时间的变化袁制动盘表面最大温度减小袁当设置加载最

大压力所达到的时间为0.8s时袁最高温度变化趋于

第3期陈伟等院制动压力加载方式及盘厚对制动盘表面温度影响25

平稳袁由此可见袁制动压力加载方式不同袁对制动盘表面最高温度影响显著袁在实际工程中控制加载最大压力所达时间大于等于0.8s时为最佳的制动压力加载方式遥

3.2盘厚对制动盘温度的影响

在本文中袁选取了5种不同厚度的制动盘

渊尺寸30mm相袁同35mm的情况袁40mm下袁盘袁45mm厚对袁制50mm动盘冤表来分析面最高摩擦温度片

的影响袁通过约30个工况的仿真分析得到盘厚对制动盘温度的影响变化情况袁如图4所示院从图中可以看出随着制动盘厚度的变化袁在厚度为35mm时袁最大应力和最大温度相比其他厚度尺寸的制动盘要小一些遥所以当厚度为35mm时袁是最佳的制动盘厚度袁这有益于以后风机制动盘轻量化设计遥另外袁我们还可以看到袁随着压力加载时间的变化最大温度减少袁在0.8s左右袁趋向平衡袁也就说当最大压力加载时间等于或大于0.8s时袁是最佳的压力加载方式袁这和前面的变化规律是一致的遥

图4盘厚对制动盘温度的影响变化情况

造成上述现象的原因可能是由于在最大压力加载时间较短时袁在实际工程中类似于紧急制动袁短时间内诱发密集的热量袁瞬时产生高温袁所以当加载最大压力所达时间为0.2s袁0.4s时制动盘表面温度相对于其他制动压力加载方式产生的最大温度较高遥而最大压力加载时间等于或大于0.8s时袁可能是因为这时制动过程相对比较缓慢袁所以温度上升比较慢袁随着时间的延长袁制动盘表面温度通过热传导尧热流输入尧以及对流散热等方式使得制动盘表面的温度很快降下来袁而且我们可以看到下降值没有0.2s时那么明显遥3.3实验验证

为了验证上述有限元计算结果的正确性袁进行

了相关的实验验证袁在相同的工况下袁制动盘厚度为35mm袁利用惯性式制动器测功机进行了6次的循环制动试验测试袁温度测试结果精确到摄氏度袁图5将有限元仿真计算结果与试验测试结果进行了对比分析袁仿真与测试得到的结果均为循环过程中制动盘的最高温度遥结果表明院本文中制动盘压力加载方式得到的变化规律与试验结果和分析结果变化规律基本一致袁二者的偏差在5.7%以下遥因此袁采用本文中的制动盘压力加载方式是有效的遥

图5制动压力加载方式对制动盘最高温度的影响

制动盘表面的温度越高袁摩擦片表面的温度也越高袁高温会引起摩擦片的热衰退袁导致制动力不足袁出现安全事故[3]的袁是最容易的降低遥制制动动系盘统压温力度加载方的方式式袁是可制动控

时避免紧急制动袁能够有效地降低制动盘以及摩擦片表面瞬时产生高温袁所以说在实际工程中选择合适的制动压力加载方式具有重要的意义袁这样有利于制动盘的散热袁延长制动盘以及摩擦片的工作寿命袁更有利于风机的正常运转以及工业生产遥

4结1冤论

及摩擦片通过温度制袁动不同盘的压制力动加载方压力加载方式来降式低将制会动产生

盘以

不同的温度分布袁在增加制动压力加载时间的基础上有助于降低制动盘表面温度遥在本文研究的600kw控制在大液压于等于传动静0.8s压为较合适蓄能风力的发压电力机加载中袁时制间动遥

时间是该型2冤在风不同机制厚动度盘情况最佳下的袁厚在度制尺寸动盘遥厚在度后为续35mm的优时

化设计中袁可以考虑将制动盘和摩擦片进行进一步的轻量化设计袁对其进行拓扑优化遥参考文献院

[1]

蒋红旗,李顺才.半挂汽车车架有限元渊下转第3页冤

第3期丁先洋等院甘肃省农村居民人均纯收入影响因素的统计分析3

3.1增加耕地面积

3对策和建议

土地是农业之根本袁耕地面积的多少能够直接影

平低的问题袁这两个因素严重制约着我国经济的发展[8]遥想要摆脱我国目前贫困落后的现状袁加快转变民整体素质遥参考文献:

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速度袁首要的任务是控制农村人口数并提升农村居

响到农民的收入袁所以有效的增加耕地面积袁可以提高农民的收入袁具体措施如下院渊1冤整合土地袁将农村的土地进行整合袁小块变大块袁增加耕地的有效使用率曰渊2冤开垦荒地袁由于甘肃处于西北地区袁戈壁面积较大袁应该及时研究并且合理的开发土地袁努力增加甘肃省耕地面积袁进而提高农村居民人均纯收入遥3.2注重农业科技进步

现代化农业是农业发展的趋势袁注重农业科技进步袁可以增加农村居民人均纯收入遥首先袁应主动为农村增加更多的机械化动力袁运输工具以及生产建筑设施等袁提高农民工作效率袁生产规模实现效益最大化曰为农业提供先进适用的科学技术袁及时更新改善农作物耕作技术水平袁提高农业资源的质量和单位的资源利用效率袁使有限的农业资源3.3控制农村人口数袁加强农村居民文化教育

我国依旧存在农村劳动力过剩和农民文化水渊上接第25页冤

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