礦車盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

賴劼修　張燕

摘 要：采用ABAQUS工程模擬有限元軟件對(duì)礦車盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)得到不同制動(dòng)工況下礦車盤式制動(dòng)器的各摩擦副的溫度變化曲線及失效的原因，從而為礦車盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦車盤式制動(dòng)器 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬 有限元分析 ABAQUS

中圖分類號(hào)：TD5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（a）-0069-01

對(duì)于礦車中的濕式多盤制動(dòng)器，其具有制動(dòng)力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、磨損小的特點(diǎn)，但是，在制動(dòng)過(guò)程中，容易因摩擦副間的摩擦作用產(chǎn)生熱能而導(dǎo)致摩擦盤和冷卻油的溫度升高，因此，采用基于ABAQUS的濕式多盤制動(dòng)器的熱-機(jī)耦合有限元模型分析制動(dòng)器性能是非常有意義的。

1 礦車盤式制動(dòng)器有限元模型的建立

建立基于ABAQUS的濕式多盤制動(dòng)器，其是一套功能比較強(qiáng)大工程模擬有限元軟件，主要作用是解決相對(duì)簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題到復(fù)雜的非線性問(wèn)題，基于ABAQUS的濕式制動(dòng)器的實(shí)體模型主要由摩擦盤和對(duì)偶盤組成，并且每個(gè)摩擦盤主要由1個(gè)摩擦芯片和2個(gè)摩擦襯片組成，在每個(gè)摩擦襯片的兩面，均開有8個(gè)徑向油槽。

2 零部件邊界條件及參數(shù)分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于摩擦盤和對(duì)偶盤，其實(shí)濕式多盤制動(dòng)器的核心零部件，制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)可參照濕式多盤制動(dòng)器零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，針對(duì)ABAQUS有限元軟件中Property模塊的建立，其可以參照濕式制動(dòng)器核心零件材料熱物性參數(shù)來(lái)定義摩擦盤和對(duì)偶盤的材料屬性。

2.2 確定模型傳熱參數(shù)

由于模型中接觸對(duì)的法向接觸屬于硬接觸，因此，選取與壓力相關(guān)的熱傳導(dǎo)系數(shù)值為5×107 W/（m2·C）[1]。由于濕式多盤制動(dòng)器浸在冷卻潤(rùn)滑油中將會(huì)發(fā)生摩擦生熱，所以，在模擬分析中，需要充分考慮摩擦表面與環(huán)境的對(duì)流換熱，以及摩擦表面與油槽的對(duì)流環(huán)熱，然而，對(duì)流換熱系數(shù)的選取，一般取決于流體的流動(dòng)狀態(tài)、比熱容和熱導(dǎo)率等流體的物理性質(zhì)及盤的表面溫度和表面形狀，本文取對(duì)流換熱系數(shù)為1700 W/（m2·C）。

另外，對(duì)于模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)和約束條件的選取，由于摩擦盤主要作減速運(yùn)動(dòng)，因此，分析井下工程車輛用的濕式多盤制動(dòng)器在緊急制動(dòng)工況和下坡持續(xù)制動(dòng)工況下模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在制動(dòng)過(guò)程中，在偶盤保持不動(dòng)和摩擦盤作圓周運(yùn)動(dòng)的情況下，對(duì)偶盤的一面和中間對(duì)偶向上軸x，y的自由度進(jìn)行固定約束，并對(duì)對(duì)歐盤x，y，z三個(gè)方向上施加固定約束，對(duì)于建立的兩個(gè)參考點(diǎn)，需要充分考慮參考點(diǎn)周向旋轉(zhuǎn)的自由度和其余各個(gè)方向自由度的約束。

3 盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

對(duì)于基于ABAQUS濕式多盤制動(dòng)器的有限元模型分析，采用C3D8RT單元形式進(jìn)行有限元模型的網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行制動(dòng)器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。

3.1 緊急制動(dòng)下溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

在緊急制動(dòng)工況下，根據(jù)分析結(jié)果表明[1]，對(duì)偶盤和摩擦襯片的溫度場(chǎng)呈中心對(duì)稱分布，并且溫度較高的區(qū)域主要集中在盤面的中部圓環(huán)處，其主要原因是在制動(dòng)過(guò)程中摩擦襯片受摩擦熱因素的影響小于對(duì)偶盤受摩擦因素的熱影響，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象主要受材料不同的影響，摩擦襯片主要采用燒結(jié)的、具有熱擴(kuò)散性能小的青銅材料，在緊急制動(dòng)工況下，產(chǎn)生的摩擦熱是很難在短時(shí)間內(nèi)傳遞到摩擦到摩擦襯片內(nèi)部，然而，對(duì)偶盤主要采用的是優(yōu)良的導(dǎo)熱材料65Mn鋼，在制動(dòng)過(guò)程中，其可以吸收大量的摩擦熱。

分析濕式多盤制動(dòng)器各摩擦副的溫度變化曲線，如圖1所示，其中，圖1中1～6的序號(hào)分別表示盤式制動(dòng)器從施壓端至遠(yuǎn)離端的六對(duì)摩擦副，從圖1中可以看出，制動(dòng)器兩側(cè)摩擦副的溫度低于中間摩擦副的溫度，然而，在中間摩擦副中，靠近施壓端的摩擦副溫度明顯高于遠(yuǎn)離端摩擦副的溫度，其主要原因是制動(dòng)器摩擦副兩側(cè)的熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流等散熱條件明顯高于中間摩擦副。

3.2 下坡持續(xù)制動(dòng)下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

在下坡持續(xù)制動(dòng)工況下，需要滿足車輛滿載、初始速度和制動(dòng)強(qiáng)度需要維持以20 km/h勻速行駛、在30%坡度情況下需要進(jìn)行持續(xù)制動(dòng)等條件，通過(guò)分析得出，在持續(xù)制動(dòng)狀態(tài)下，車輛的的制動(dòng)強(qiáng)度較小，摩擦副之間的熱流密度比緊急制動(dòng)狀態(tài)下的熱流密度小，但是，受制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的影響，在持續(xù)制動(dòng)狀態(tài)下制動(dòng)器產(chǎn)生的總熱量高于緊急制動(dòng)狀態(tài)下的總熱量。分析持續(xù)制動(dòng)工況下不同摩擦副溫度的變化曲線，如圖2所示，其中，圖2中的1～4序號(hào)分別代表制動(dòng)器從施壓端到遠(yuǎn)離端的四對(duì)摩擦副，從圖中可以看出，摩擦副的溫度在開始階段是呈直線上升的，在中后期階段，其溫度保持在180 ℃左右，由此可知，中間摩擦副的溫度比制動(dòng)器兩側(cè)摩擦副溫度高，熱傳導(dǎo)作用后，中間摩擦副與兩側(cè)摩擦副的溫度趨于一致。

4 結(jié)語(yǔ)

建立基于ABAQUS的濕式多盤制動(dòng)器的有限元模型，待制動(dòng)器的邊界條件、結(jié)構(gòu)參數(shù)及模型傳熱參數(shù)確定后，分析在緊急制動(dòng)工況下和下坡持續(xù)制動(dòng)工況下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，可得出盤式制動(dòng)器在熱傳導(dǎo)作用下和熱對(duì)流效果下的散熱條件比較好。總的來(lái)說(shuō)，分析礦車盤式制動(dòng)器的數(shù)值模擬，為礦車盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 何建成，張文明，姜勇，等.基于ABAQUS的濕式多盤制動(dòng)器溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析[J].礦山機(jī)械，2012（10）：29-33.

[2] 劉瑩，胡育勇，任奇鋒，等.基于ANSYS汽車盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力數(shù)值模擬[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2013（3）：276-280，290.