濕式多盤制動器的溫升特性分析

張傳偉,顧蘇菁,劉勁鵬,丁宇鵬,張 騰

(西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,西安 710054)

相比于干式制動器,濕式多盤制動器在充滿潤滑油的封閉環(huán)境中工作,具有磨損小、防塵抗污、制動力矩大等明顯優(yōu)勢，在礦用機(jī)械中得到了推廣性使用[1-2]。但由于濕式制動器的工作路況復(fù)雜、工作時間長等原因?qū)е缕湓谶B續(xù)制動工況和緊急制動工況時,溫度急劇上升,出現(xiàn)熱彈性不穩(wěn)定、翹曲變形、熱失效等不良現(xiàn)象。因此，研究其在不同持續(xù)制動工況下的溫升特性情況,減少因熱衰退、熱失效而發(fā)生的安全事故,具有重要的意義。

為了研究濕式制動器在制動過程中的工作特性和溫升特性，從而減少熱失效,學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。雷江泉[3]通過對裝載機(jī)的仿真分析揭示了摩擦盤在徑向、周向、軸向的溫度和應(yīng)力分布規(guī)律,并分析了不同因素對溫度和應(yīng)力的影響程度。趙冰青[4]通過有限元仿真得出摩擦盤溫度場和應(yīng)力場的分布規(guī)律,并探討了不同摩擦盤溫度測量試驗(yàn)方案的優(yōu)劣。吳豪[5]對濕式制動器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算,并采用遺傳算法對仿真的濕式制動器有限元模型進(jìn)行優(yōu)化,提高了整個制動盤的制動性能。王云璐[6]通過建立摩擦系數(shù)的分形幾何計(jì)算模型,分析制動過程中動、靜摩擦盤接觸狀態(tài)并研究摩擦系數(shù)和溫升特性的關(guān)系。

在以往的研究中,主要以有限元仿真來模擬摩擦盤在制動過程中的溫升變化情況。由于實(shí)際制動過程中摩擦盤存在復(fù)雜的熱機(jī)耦合現(xiàn)象且外部影響因素較多,這種研究方式不能全面反應(yīng)摩擦盤的溫升變化,應(yīng)以臺架試驗(yàn)和有限元仿真相結(jié)合的方式來進(jìn)行研究分析。首先根據(jù)實(shí)際工況對一具體車型的濕式制動器的制動過程進(jìn)行模擬仿真,并根據(jù)具體工況進(jìn)行臺架試驗(yàn),對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,并對影響摩擦盤溫升的幾個重要因素進(jìn)行正交試驗(yàn)和交互作用分析,確定影響摩擦盤溫升的最顯著因素及它們的交互作用對摩擦盤溫升的影響。

1 理論分析

由于摩擦盤制動是一個瞬態(tài)過程,制動產(chǎn)生的大量熱量無法在很短時間內(nèi)消散,便會在靜摩擦盤、動摩擦盤之間產(chǎn)生溫差。由熱力學(xué)第二定律可知,當(dāng)物體間存在溫差時,便會產(chǎn)生熱量的傳遞。物體在傳熱時主要有熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3種方式。摩擦盤在制動時,產(chǎn)生的熱量主要以熱傳導(dǎo)及熱對流的方式進(jìn)行傳遞[7]。

1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部,由于介質(zhì)內(nèi)部存在溫度梯度,所以處在不同溫度梯度的分子相互作用,實(shí)現(xiàn)熱的傳遞。熱傳導(dǎo)過程中遵循傅里葉定律,即

(1)

式(1)中：Q為熱流量；A為傳熱面積；q為單位面積熱流量；K為總導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；x、y、z為三維空間坐標(biāo)。

1.2 熱對流

熱對流是由于流體的運(yùn)動導(dǎo)致固體與流體之間的對流換熱。對流主要分為自然對流和強(qiáng)迫對流。濕式制動器通過在封閉的油液中工作達(dá)到自然冷卻的效果,涉及的為自然對流[8]。熱對流的計(jì)算原理源自牛頓冷卻定律,即

q*=hf(Ts-Tb)

(2)

式(2)中：hf為平均對流換熱系數(shù),非常數(shù),而是一個關(guān)于溫度梯度的函數(shù)；Ts為固體表面的溫度；Tb為周圍流體的溫度。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律[9]建立摩擦副表面溫度隨時間及空間三維瞬態(tài)導(dǎo)熱方程,以靠近壓盤的第一片靜摩擦片旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立柱坐標(biāo)系,三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為

(3)

式(3)中：k為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；c為比熱容；θ為內(nèi)部熱源生成的熱量。

為使上述傳熱方程有唯一解,還必須確定其單值條件,即準(zhǔn)確地確定需要施加的外界條件。主要包括初始條件和邊界條件[10]。

(1)初始條件指初始狀態(tài)時,非穩(wěn)態(tài)傳熱的各個變量的初始值，即

T=T(x,y,z,t)

(4)

式(4)中：t為時間。

初始條件在剛開始求解時對分析結(jié)果影響較大,隨著時間增長,影響越來越小。當(dāng)達(dá)到某一狀態(tài)時,分析結(jié)果受邊界條件影響,而與初始狀態(tài)無關(guān)。

(2)邊界條件反映求解的模型與影響該模型的外界環(huán)境之間的關(guān)系，主要包括兩種初始條件[11]。

第1類邊界條件,即確定環(huán)境邊界為

Tbs=Tw(x,y,z,t)

(5)

式(5)中：Tbs為邊界溫度；Tw為邊界w給定的溫度。

第2類邊界條件,即確定邊界上的熱流密度為

(6)

式(6)中：qw為單位面積上固體表面熱流密度；n為邊界外法線方向,即熱流密度方向。

2 仿真分析

研究對象為某煤礦使用的五十鈴600 P的礦用濕式多盤制動器,設(shè)定車輛的行駛速度分別為20、30、40 km/h,分析車輛在持續(xù)制動工況下濕式制動器摩擦盤的溫升變化情況。當(dāng)踏下制動踏板開始制動時,600 P濕式制動器的制動活塞受到的最小油壓為2 MPa,踏板力的比例系數(shù)為0.016,此時所需的踏板力約為770 N。制動活塞受到的最大壓力為3 MPa,踏板力為1 000 N。可得600 P的制動工況如表1所示。

表1 600 P濕式制動器的制動工況Table 1 600 P wet brake condition

該制動器的結(jié)構(gòu)主要為靜摩擦盤、動摩擦片、活塞、壓盤及回位彈簧等。運(yùn)用solidworks根據(jù)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行1∶1三維實(shí)體建模。由于用ansys對其仿真分析時,如倒角、凸臺、密封環(huán)槽等細(xì)小部件對分析結(jié)果影響很小,但會占用計(jì)算分析時間,所以對其部分結(jié)構(gòu)做簡化處理。

采用多區(qū)域和面劃分方法,共生成5 623個節(jié)點(diǎn)。簡化后的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 濕式制動器的網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing of wet brake

從圖2溫度分布云圖可以看出,當(dāng)以20 km/h的速度制動時,摩擦盤的最高溫度為51.608 ℃,溫度上升值為31.608 ℃。從徑向位置看,摩擦盤的溫度分布從中徑向兩邊遞減,說明此時摩擦主要發(fā)生在中徑處。從軸向看,靠近壓盤的摩擦副溫度最高,紅色高溫點(diǎn)區(qū)域較大。且高溫向另一端傳遞,并逐漸減少,此時溫度分布不均勻。速度達(dá)到30、40 km/h時,溫度上升值分別達(dá)到52.02、83.07 ℃。從徑向位置看,摩擦盤的溫度分布從中徑處進(jìn)一步擴(kuò)散。從軸向位置看,溫度從靠近壓盤的位置向另一端遞減,動靜摩擦盤之間的紅色高溫點(diǎn)也越來越多,此時溫度分布趨于均勻。但由于紅色高溫點(diǎn)的增多,此時容易發(fā)生熱疲勞和熱衰退,需進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

圖2 不同速度下摩擦面溫度場分析云圖Fig.2 Analysis cloud diagram of temperature field of friction surface at different speed

3 試驗(yàn)分析

為了與仿真結(jié)果進(jìn)行對比和驗(yàn)證,對濕式制動器摩擦升溫過程進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺為重慶凱瑞公司開發(fā)的BBP-20慣性試驗(yàn)臺。其中測量系統(tǒng)能進(jìn)行溫度、制動力矩、噪聲、速度、壓力等的測量，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。為了準(zhǔn)確地得到摩擦盤表面溫度變化,采用的預(yù)埋熱電偶的方式來測量摩擦盤的表面溫度[12],從周向和徑向分別設(shè)計(jì)了溫度測量點(diǎn),具體位置如圖3(b)所示。對于溫度數(shù)據(jù)的采集,選用的是安捷倫數(shù)采儀,如圖3(c)所示,選用的是安捷倫數(shù)采儀,將7個熱電偶接到數(shù)采儀測量模塊中,并選擇01通道,進(jìn)行通道配置,然后進(jìn)行掃描,讀取數(shù)據(jù)。

圖3 試驗(yàn)平臺及摩擦盤溫度采集點(diǎn)位置分布Fig.3 Location distribution of test platform and friction disk temperature collection points

根據(jù)礦用汽車安全最高行駛車速的規(guī)定,礦用汽車在生產(chǎn)干線上工作時,最高車速不超過30～40 km/h。因此,測量當(dāng)車速分別為20、30、40 km/h時,摩擦盤在徑向和周向方向上的溫度變化。由于持續(xù)制動時間較長,所以在數(shù)采儀上設(shè)置15 s作為時間間隔。1～12 s為制動準(zhǔn)備階段,系統(tǒng)進(jìn)行溫度和制動力矩的調(diào)節(jié),12～14 s為制動階段。

3.1 周向方向

由圖4可以看出,當(dāng)分別以20、30、40 km/h的速度進(jìn)行制動后,溫度上升的最大波動量分別為21.873,33.767,59.145 ℃。從周向位置上5 個測量點(diǎn)溫度變化曲線來看,各測量點(diǎn)之間溫度相差較小。由圖4還可以看出,無論速度處于20、30 km/h,還是40 km/h,溫度變化曲線圖都呈鋸齒狀[13]。鋸齒的“尖端”部分即每次制動時溫度急劇上升,制動結(jié)束時由于油槽里的冷卻油液帶走制動盤表面的部分熱量,這部分熱量通過殼體發(fā)散到空氣中,所以溫度峰值有所回落。從第8次制動開始,溫度峰值上升便不再那么劇烈,這是冷卻油液持續(xù)冷卻的作用,這也是相比于干式制動器,濕式制動器在持續(xù)制動時凸顯的優(yōu)勢。

圖4 持續(xù)制動工況下摩擦盤的周向溫度變化Fig.4 Circumferential temperature change of friction disc under continuous braking conditions

3.2 徑向方向

由圖5可以看出,當(dāng)分別以20、30、40 km/h的速度進(jìn)行制動后,溫度上升的最大波動量與周向保持一致。與瞬時制動時摩擦盤在徑向方向上溫度變化類似,徑向1號點(diǎn)與3號點(diǎn)由于與潤滑油持續(xù)換熱,溫度上升較慢。中徑2號點(diǎn)處于主要摩擦區(qū)域且散熱不及時,溫度相比其他兩個點(diǎn)較快。中徑2號點(diǎn)溫度集中形成熱點(diǎn),易發(fā)生熱疲勞和翹曲變形。隨著速度的增加,徑向2號點(diǎn)區(qū)域由于摩擦的繼續(xù)進(jìn)行以及散熱的不及時,溫度變化梯度越來越大,且與1號點(diǎn)和3號點(diǎn)形成明顯的高低溫區(qū)域界限[14]。

圖5 持續(xù)制動工況下摩擦盤的徑向溫度變化Fig.5 Radial temperature change of the friction disc under continuous braking conditions

將仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對比來看,兩者趨勢一致:即摩擦盤徑向上的溫度變化大于周向上的溫度變化。隨著速度的增加,摩擦盤的溫度急速上升。當(dāng)濕式制動器達(dá)到煤礦安全法所規(guī)定的最高車速40 km/h時,連續(xù)10次制動后溫度上升超過50 ℃,此時極容易發(fā)生熱疲勞或熱失效。而通過仿真分析得到的溫度略高于試驗(yàn)結(jié)果的溫度,這是由于試驗(yàn)所測量的溫度為摩擦盤表面的溫度,略低于仿真分析時得到的摩擦盤內(nèi)部的溫度。

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了揭示制動過程中摩擦盤的溫升特性與哪些因素有關(guān),從而在制造和使用方面減少溫升,避免熱失效,設(shè)計(jì)了一項(xiàng)多因素正交試驗(yàn)。經(jīng)過全面考慮,確定制動速度、制動力、制動時間為本試驗(yàn)的3 個試驗(yàn)因素,其因素水平如表2所示。

表2 因素水平Table 2 Factor level

由于選定的3個因素均為三水平,在試驗(yàn)過程中,在保證試驗(yàn)結(jié)果有效性的前提下,通過增加賦閑列的方式構(gòu)成四因素三水平的標(biāo)準(zhǔn)正交表 L9(34),即把試驗(yàn)結(jié)果分析表中第3個因素列設(shè)為空列,當(dāng)極差Rj在允許誤差范圍內(nèi)可減少試驗(yàn)總數(shù),有利于試驗(yàn)進(jìn)行。所以本試驗(yàn)共進(jìn)行了9 組無重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果分析如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Test result analysis

表3中yji為第j個因素i(i=1,2,3)水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和,yji為yji的平均值,Rj為第j個因素的極差,計(jì)算公式為

Rj=max[yj1,yj2,…]-min[yj1,yj2…]

(7)

式(7)中：Rj反映了第j個因素水平變動時溫升的變化幅度,Rj越大,說明該因素對溫升的影響越大,因此也就越重要,于是可以根據(jù)極差Rj來判斷各因素對溫升的影響大小。根據(jù)表3可以得出,對溫升影響最大的為制動速度,次之為制動時間,影響最小的為制動力。由此可以得出,當(dāng)濕式制動器在進(jìn)行制動時,為了避免溫升過快,首先注意控制制動速度,其次是制動時間,最后是制動力。

5 多因素交互作用分析

由于濕式制動器制動時為復(fù)雜的熱機(jī)耦合現(xiàn)象,各因素對摩擦盤的溫升的影響可能存在交互關(guān)系,分別對制動速度-制動時間、制動速度-制動力及制動時間-制動力之間的影響進(jìn)行交互作用分析。

5.1 制動速度與制動時間的交互作用分析

通過對制動速度和制動時間對溫升變化的影響進(jìn)行交互性分析,可以得出圖6所示的等高線圖、3D響應(yīng)曲面及交互作用曲線。由圖6可以看出,隨著制動速度的提高,溫度上升的越來越快。當(dāng)速度超過30 km/h時,速度對溫升的影響更明顯,超過制動時間對溫升的影響。當(dāng)速度在20 km/h時,制動速度與制動時間存在交叉作用,兩者的共同作用對溫升的影響較大。

5.2 制動力與制動速度的交互作用分析

通過對制動速度和制動力對溫升變化的影響進(jìn)行交互性分析,可以得到圖7所示的等高線圖、3D響應(yīng)曲面及交互作用曲線。由圖7可以看出,制動力對溫升的影響較小,遠(yuǎn)小于制動速度對溫升的影響。當(dāng)速度超過30 km/h時,制動速度對溫升的影響越明顯。且此時制動速度與制動力發(fā)生交叉,說明兩個因素對溫升的影響發(fā)生交互作用,且對溫升有一定影響。

制動時間為11 s圖7 制動速度與制動力交互作用分析Fig.7 Analysis of the interaction between braking speed and braking force

5.3 制動力與制動時間的交互作用分析

通過對制動時間和制動力對溫升變化的影響進(jìn)行交互性分析,可以得到圖8所示的等高線圖、3D響應(yīng)曲面及交互作用曲線。由圖8可以看出,隨著制動時間和制動力的增加,溫度逐漸上升,制動時間對溫升的影響大于制動力對溫升的影響。制動時間和制動力明顯不平行發(fā)生交叉,兩者的交互作用顯著,對溫升的影響較大。

制動速度為30 km/h圖8 制動力與制動時間交互作用分析Fig.8 Analysis of the interaction between braking force and braking time

由上述分析可知,制動速度、制動時間、制動力之間存在交互作用關(guān)系。當(dāng)速度超過30 km/h時,制動速度對溫升的影響更明顯,超過制動時間及制動力對溫升的影響,容易造成制動失效及翹曲變形。通過交互作用可以發(fā)現(xiàn),制動時間與制動力明顯不平行,交互作用最明顯。

6 結(jié)論

通過對不同工況不同制動條件下摩擦盤溫升變化情況進(jìn)行臺架試驗(yàn)分析,可以得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)制動速度較慢時,摩擦盤溫度上升較慢,且摩擦盤徑向上的溫度變化大于周向上的溫度變化。

(2)當(dāng)持續(xù)制動時,摩擦盤的溫度變化曲線圖呈鋸齒形,溫度先急劇上升,在第8次制動后由于制動盤與潤滑油持續(xù)換熱,溫度緩慢上升。

(3)通過正交試驗(yàn)可知,影響摩擦盤溫升的最顯著因素是制動速度,其次是制動時間,制動力對摩擦盤溫升的影響并不明顯。在濕式制動器實(shí)施制動時,首先注意控制制動速度。

(4)通過對影響摩擦盤的因素進(jìn)行交互作用分析,發(fā)現(xiàn)制動時間與制動力的交互作用最明顯,兩者的共同作用對摩擦盤的溫升影響較大。