朱紅

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

按煤炭安全規(guī)程要求，煤層傾角大于15°的工作面，采煤機(jī)必須安裝防下滑裝置。常閉多盤濕式制動(dòng)器 (結(jié)構(gòu)如圖1所示)作為采煤機(jī)的防下滑裝置，是整機(jī)安全生產(chǎn)的重要保證。

圖1 采煤機(jī)多盤濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

但是，長(zhǎng)期以來，在出廠檢驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)有制動(dòng)器在松閘狀態(tài)下，與其傳動(dòng)軸作同步連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)異常發(fā)熱，溫度和溫升值均超出行標(biāo)［1］的要求，返修次數(shù)較多，且即便是返修后的產(chǎn)品，如在環(huán)境溫度高的夏季，其溫度測(cè)試值也不盡理想，總在規(guī)定值的上限浮動(dòng)。這樣不僅影響到制動(dòng)器本身和整機(jī)的出廠效率，更緊要的是，制動(dòng)器長(zhǎng)時(shí)間在過高溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)加速油液、密封材料特別是摩擦材料的老化、失效，嚴(yán)重影響其制動(dòng)性能和使用壽命。因此，必須盡快對(duì)制動(dòng)器溫升過高的問題進(jìn)行攻關(guān)。

1 對(duì)比試驗(yàn)及原因分析

對(duì)發(fā)熱異常的液壓制動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)拆裝后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)外摩擦片并無變形，開啟油壓正常，活塞動(dòng)作不蹩卡，行程達(dá)到規(guī)定值，排查上述因素后，確定做下列兩組對(duì)比試驗(yàn)，找出液壓制動(dòng)器異常發(fā)熱的主要原因。

(1)試驗(yàn)一

考慮到制動(dòng)器設(shè)計(jì)行程偏小，摩擦片數(shù)量多，片間間隙的設(shè)計(jì)有可能不能滿足運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)片間完全分離而摩擦發(fā)熱，對(duì)制動(dòng)器行程值和摩擦副的數(shù)量做出輕微調(diào)整后，進(jìn)行了以下試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件:制動(dòng)器外殼放置溫度傳感器，腔內(nèi)注滿齒輪油 (除干式摩擦外)，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

試驗(yàn)要求:同行標(biāo)5.5，制動(dòng)器在松閘狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 h，制動(dòng)器外殼溫度不大于80℃，溫升應(yīng)不大于60℃。

試驗(yàn)結(jié)果 (表1)表明:受制動(dòng)器空間結(jié)構(gòu)限制，又要保證一定的制動(dòng)扭矩，此次試驗(yàn)只在制動(dòng)器結(jié)構(gòu)上做了輕微的調(diào)整變化，這種改進(jìn)對(duì)外殼溫度的控制雖有所作用，但要完全控制還是不夠的，而且溫度還是在80℃左右。

表1 試驗(yàn)一試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) ℃

(2)試驗(yàn)二

考慮到濕式條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)外摩擦片容易黏連，剪切油膜而發(fā)熱［2］，對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行了以下試驗(yàn)，見表2。

試驗(yàn)條件和要求同試驗(yàn)一。

試驗(yàn)結(jié)果 (表2)表明:

①平臥時(shí)，制動(dòng)器摩擦片間容易分離;傾斜30°，摩擦片結(jié)合在一起，試驗(yàn)C和D說明，摩擦片結(jié)合在一起發(fā)熱就大;

②同一制動(dòng)器在干摩擦條件下，發(fā)熱少，溫度可完全控制 (考慮到干式摩擦制動(dòng)器容易起火的不安全因素，不宜在礦井下使用);濕式條件下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱，主要是受到了油液黏度的影響，油膜黏性摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱量。

③機(jī)械分離各摩擦片，保持各片間間隙均勻分布，即使在濕式條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，也是可以控制制動(dòng)器溫度的。說明制動(dòng)器工作時(shí)摩擦片間雖有間隙存在，但是由于油液存在較高黏度，摩擦片間不能很好地分離，全行程可能出現(xiàn)在某一對(duì)摩擦副中，不能在所有摩擦片間均勻分布，片間間隙小，剪切油膜發(fā)熱就大［3］。

通過兩組對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，稍許地增大幾毫米行程或減少幾對(duì)摩擦副是不會(huì)從根本上解決制動(dòng)器異常發(fā)熱的，更重要的是采取何種辦法來保證全行程在摩擦片間的均勻分布，保持一定的片間間隙，在濕式條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，盡可能減少剪切油膜發(fā)熱［4］。

表2 試驗(yàn)二試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù) ℃

2 油膜剪切功率損耗的計(jì)算

摩擦片剪切油膜發(fā)熱是濕式制動(dòng)器異常發(fā)熱的主要原因。文中對(duì)油液在摩擦片間受剪切所產(chǎn)生的功率損耗進(jìn)行了理論計(jì)算和分析研究［5］。

基于牛頓內(nèi)摩擦定律，其切應(yīng)力計(jì)算表達(dá)式:

式中:F為油膜剪切力，N;τ為油膜剪切力，Pa;μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s;v為內(nèi)外摩擦片相對(duì)速度或油膜剪切速度，m/s;h為油膜厚度，m;A為承受油膜剪切作用的面積，m2。

盤式摩擦片剪切油膜作用面半徑r處、圓環(huán)寬度dr微小面積上，油膜摩擦損耗功率為［6］:

一對(duì)摩擦副剪切油膜消耗的功率為:

式中:P為功率損耗，W;ω為內(nèi)摩擦片角速度，rad/s;R1為摩擦副有效工作面的內(nèi)半徑，m;R2為摩擦副有效工作面的外半徑，m。

單位時(shí)間內(nèi)摩擦副產(chǎn)生的熱量為:

假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)，油液的比熱和密度不隨溫度變化，所有的熱負(fù)荷均被潤(rùn)滑油吸收，根據(jù)熱量平衡［7］，有:

式中:n為摩擦副數(shù)量;C為潤(rùn)滑油的比熱容，J/(kg·K);q為腔內(nèi)油液體積，m3;ρ為油液密度，kg/m3;Δt為溫升，℃。

可見，內(nèi)外摩擦片間具有一定的間隙形成油膜，油膜黏性摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，且油膜厚度越小，發(fā)熱越大。

通過式 (1)— (5)，可以對(duì)摩擦副在濕式條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制動(dòng)器的溫升情況進(jìn)行估算，也可以作為摩擦副和行程等參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)的溫度校驗(yàn)。

3 解決辦法

文中不考慮增加強(qiáng)制水冷裝置及配套管路等常規(guī)的散熱方法，而是提出一種通過改進(jìn)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)來減少其自身發(fā)熱的辦法。

圖2 增加彈簧片位置示意圖

如圖2所示，在每?jī)善饽Σ疗g，增加一片波形彈簧，這樣，在松閘狀態(tài)下，強(qiáng)迫外摩擦片均勻分開，控制了各片間間隙即油膜厚度，避免了松閘后內(nèi)外摩擦片黏在一起的可能，從而減少發(fā)熱現(xiàn)象［8］。

通過在同一制動(dòng)器上加裝彈簧和不加彈簧的對(duì)比試驗(yàn)表明 (表3):加裝彈簧后，溫升顯著下降了19℃，溫度和溫升均控制在規(guī)定值內(nèi)，且對(duì)制動(dòng)力矩和行程等指標(biāo)基本不產(chǎn)生影響。

表3 加裝彈簧前、后試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論:

(1)剪切油膜生熱是濕式液壓制動(dòng)器最主要的熱源。

(2)油膜厚度越小，油膜剪切消耗功率越大，解決發(fā)熱問題的關(guān)鍵是:在制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何保證行程盡可能在各片間間隙中均勻分布。

(3)摩擦片間加裝波形彈簧，可通過彈簧力克服油液黏度來強(qiáng)迫分離各摩擦片，從而有效地控制制動(dòng)器松閘運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫升和發(fā)熱。目前，該項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)已推廣使用，并得到了制造廠商和用戶的一致肯定。

［1］煤炭行業(yè)煤礦專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).MT1149-2011采煤機(jī)用制動(dòng)器技術(shù)條件［S］，2011.

［2］王春榮，臧克江，吳佩.液壓傳動(dòng)［M］.長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

［3］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］韓兆祺.帶式輸送機(jī)盤式制動(dòng)器制動(dòng)盤溫度測(cè)試與分析［J］.煤礦機(jī)械，2011(12):217-218.

［5］黃桂，陳飛，李曉亞，等.液粘調(diào)速離合器摩擦副傳遞轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和熱平衡校核［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(3):83-84.

［6］郭劉洋，杜明剛.液粘離合器摩擦特性及熱負(fù)荷特性研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(4):324-327.

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