礦用無軌運輸車濕式多盤軸制動器研究

高雪軍

（山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦，山西 方山 033300）

引言

在眾多不同類型的制動系統中，多盤油冷式制動器在全球范圍內流行。能夠預測這種材料的熱行為是很重要的，需要系統具有精確性，盡管在這一領域進行了相當廣泛的研究，多盤制動器/離合器的微觀建模以及宏觀流體力學模擬在齒輪系統和齒輪箱實心殼體中，兩者的相互作用在很大程度上由于巨大的分離而未成為研究的子課題，兩種現象之間存在長度和時間尺度。

1 模型公式

如圖1 所示的制動系統由兩個齒輪組成，它們在潤滑多盤式制動器的油中進行傳動。

圖1 制動器接合過程中摩擦片和隔板之間的間隙

1.1 制動方案

制動方案包括許多連續和重復的制動循環，N；左側剎車中每個循環包括一個制動周期，冷卻一段時間，再制動右側剎車盤，然后是冷卻期。左側制動器在任何給定的制動循環運動中，右側制動器從未參與運動。本節采用高能方案和疲勞方案。圖2 顯示了兩種方案的相關參數，其中PRM為設備每分鐘旋轉次數。

圖2 兩種方案的相關參數

1.2 傳熱控制方程

不可壓縮流體的連續性和動量方程[1]用以下公式表示。

式中：uf（x，t）為兩相流體中的速度矢量；p 為流體的靜水壓力。VOF 配方用于求解內部油相和氣相的體積分數，使用以下公式計算流體[2]：

式中：χ 為體積分數，χk=0 表示純氣體，χk=1 表示系統中的純油。混合物的流體性質根據各相的含量進行加權，例如ρ=∑kρkχk。可以為整個區域編寫能量方程，以便控制流體和固體內部的溫度分布組件[3]：

式中：T（x，t）為溫度場；α 和ρcp分別為溫度場熱擴散率和熱質量。采用油氣混合物塊狀傳熱模型，假設在整個流體域中溫度均勻，消除了所有流體溫度的空間導數與時間演化可使用以下公式更新流體溫度的數值：

式中：V 為混合物的總體積；ρcp為混合物的熱質量；Qnet為添加到容器中的總熱量，流體區域是通過組合熱產生的，通過齒輪的寄生損耗以及摩擦副的對流熱傳遞以及熱傳遞到固體。

控制流體運動和能量守恒流體域，整個固體的能量用以下公式表示[4-5]：

2 實驗裝置

用于實驗研究的試驗臺如圖2 所示。車軸安裝在試驗臺和一層隔熱層上，絕緣層用于防止軸和軸之間的任何傳導。輪軸的小齒輪軸連接到驅動裝置帶內聯扭矩計的軸。扭矩計持續工作監控電源輸入，以確保所需的功率在制動循環期間向小齒輪軸供電。共有6個熱電耦放置在預鉆孔處的外殼中。在開始測試之前，允許車橋殼體在室溫下閑置超過16 h，以確保其沒有任何殘留上一次測試運行留下的熱量。

圖2 試驗測試裝置

3 結果和討論

3.1 流體流動

在模擬開始時，殼體中充有一半的油，一旦小齒輪軸開始旋轉，殼體中的油就會開始旋轉，殼體變得不穩定。這就產生了一種高度湍流，以更高的速度混合具有很強的穩定性。由于重力的影響潤滑油在外殼的下半部分，上半部分接受飛濺潤滑，在較低的轉速下，油的攪拌速度較低，而較高的齒輪轉速會導致更頻繁地攪動機油形成更好的潤濕性外殼。在較高的小齒輪轉速下，組合的流體速度和湍流導致更好的對流熱轉移發動機左右部分之間的機油分配住房情況相當均衡，52%在左邊，48%在右邊。圖3 顯示了表面上的平均對流換熱系數。

圖3 在900 rpm 和4 000 rpm 的平均熱傳導系數

3.2 油中的傳熱

機油充當介質，將發動機產生的熱量傳遞到實心殼體上。在每個制動循環中，它會排出制動盤的熱量并將其轉移到相對較冷的實心壁上。接觸階段有大量的熱量添加到油中，導致溫度的迅速上升。在脫離接觸期間隨著時間和壓力的增加，外殼能夠以一定的速率吸收熱量，這導致了油溫下降。但是，油溫從一個循環持續升高到另一個循環，通過重復制動循環增加大部分能量。CFD 模型預測的油溫與描述的相應實驗數據一致如圖4 所示。

圖4 模擬與測量無量綱散裝油溫的比較

3.3 制動盤中的熱傳遞

3.3.1 脫離接觸期

當處于分離位置時，不會增加摩擦熱在制動盤之間和周圍流動的油，通過對流傳熱促進冷卻。對流傳熱率取決于摩擦副的旋轉速度、間隙大小、板表面之間的溫差以及摩擦副的熱性能。具有持續供油，間隙中的油液溫度保持不變低于制動盤表面溫度，允許加熱從制動盤流向機油（見下頁圖5）。

圖5 進入油中的熱傳遞速率

3.3.2 接觸期

產生的摩擦熱傳遞到在制動盤的接觸面的三個隔板上。第一部分是導輪進入隔板，第二部分為傳導進入摩擦片，第三部分是油流在盤子之間。分割比率隨著時間的變化而變化分離板界面、摩擦板界面處的溫度梯度和散裝油溫度。圖6 顯示了循環期間該熱分解的瞬態模式。在制動操作期間，隔板處的溫度梯度由于鋼和摩擦墊材料的熱性能不同，摩擦片的變化也不同。由于其導熱性差摩擦片界面處的溫度梯度迅速增大，而隔板界面處的導熱系數較高溫度梯度相對較低。因此，分離器板接收觸點中產生的大部分熱量區隨著熱量添加到制動盤，接觸界面溫度升高，以保持熱流方向進入固體和油中。隨著接觸界面處溫度的升高，進入隔板的傳熱率份額增加減少的原因有兩個：第一，摩擦片界面處的溫度梯度的增加速度快于分離器隨著接觸界面溫度的升高。這導致進入摩擦片的熱傳遞速率逐漸增加。其次，油和制動器之間的溫差不斷增加，從而減少進入實心制動盤的總摩擦熱（見圖7）。

圖6 熱傳遞到制動片

圖7 隔板、摩擦片和油之間的熱量分解百分比

4 結語

仿真重復載荷作用下多盤軸制動系統的熱流體力學制動循環和高負載。將流體運動外殼內部和固體部件中的熱傳遞分開。攪拌均勻的流體采用集總熱模型溫度的空間變化可以忽略不計的區域。即使雖然假定流體溫度在空間上是均勻的，在固體域中存在溫度的空間分布。建立了固體域和流體域之間的連接邊界條件，計算制動盤所需的傳熱系數使用經驗關聯式，而對于其他固體，直接源自三維CFD 模擬。該方法已成功地通過一個濕軸制動系統的全瞬態試驗研究進行了驗證。在磨損的情況下，在每個制動循環中轉速較慢，制動功率輸入較小，制動器接合時間較長。在高能情況下，摩擦熱被添加到系統中，在較短的時間內以較高的功率運行。結果表明，仿真結果與實驗結果吻合較好。