高志柯，李向東，胡洪洋

（1. 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000；2. 河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

盤式制動器具有穩(wěn)定的制動性能和良好的散熱性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如起重機(jī)行業(yè)，但在制動過程中帶來的溫升及其熱衰退現(xiàn)象所引發(fā)的制動力矩下降嚴(yán)重影響其制動性能，進(jìn)而帶來危險，因此必須加以控制研究。制動盤片材料性能指標(biāo)及其匹配性對制動摩擦過程的生熱和散熱均有著重要的決定性作用，因此研究材料性能對制動器溫升的影響，將對起重機(jī)盤式制動器制動性能的提高和安全事故的預(yù)防有著重要的理論指導(dǎo)意義。

1 材料性能對摩擦過程的影響

1.1 熱流密度及其分配

制動器的間接熱機(jī)耦合分析是先把熱流轉(zhuǎn)化為熱流密度施加于盤上與襯塊接觸區(qū)域上來代替摩擦轉(zhuǎn)動，分析時可將制動盤視為固定，摩擦襯塊沿軸心轉(zhuǎn)動。據(jù)熱流密度定義可知，熱流密度即吸收的熱量與微小接觸面積的比值。制動摩擦熱量95%傳遞給盤片，但由于二者的散熱相關(guān)特征值之間存在著相當(dāng)大的不同，故要對熱流密度如何分配這一問題重新進(jìn)行計算。盤所占能量在總的生成熱量中所占的份額是η，所以r處的熱流密度可表示為

2 制動熱機(jī)耦合基礎(chǔ)

2.1 建立模型的簡化及假設(shè)

制動盤兩側(cè)都是采用對稱布置的，只需要考慮1/2模型即可。其工作環(huán)境比較復(fù)雜，將所有因素考慮進(jìn)去不太現(xiàn)實(shí)。間接熱機(jī)耦合是以將熱流密度加載到制動盤上的方式實(shí)現(xiàn)的，故只需建立制動盤的簡化模型，忽略臺架、退刀槽、凸臺、細(xì)孔及安裝吊耳等對溫度場仿真影響很小的結(jié)構(gòu)，并假定：環(huán)境溫度在制動過程始終穩(wěn)定在25℃，且盤的初始條件與此相同；制動比壓在制動過程中始終為均勻穩(wěn)定狀態(tài)；制動材料具有各向同性且摩擦系數(shù)或制動力矩不會隨溫度變化而改變；摩擦副的接觸區(qū)域較為理想，不考慮制動引起的翹曲、磨損和熱裂紋破壞問題。

2.2 制動力矩和制動比壓的計算

以型號YZS380/80-21A8鑄造起重機(jī)起升用盤式制動器為例，作用在起升卷筒卷筒軸上的靜力矩

經(jīng)計算得出其制動比壓為0.75Pa。

圖1 盤片摩擦示意圖

2.3 實(shí)體模型的建立和網(wǎng)格劃分

制動盤的尺寸以及二者的材料特性和相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

表1 盤式制動器模型尺寸

表2 制動盤和摩擦襯塊材料特性

采用間接耦合仿真法，首先考慮單純熱分析，在模型建立時使用SURF152用于施加熱流率，定義SOLID70實(shí)現(xiàn)熱仿真的求解。制動盤網(wǎng)格劃分的好壞對于熱流密度的施加至關(guān)重要，考慮摩擦熱的產(chǎn)生主要是在制動盤表面與摩擦襯塊接觸的圓環(huán)位置，如若直接平均劃分網(wǎng)格，則不利于其熱流密度的施加。故模型分為內(nèi)圈、摩擦圈和外圈，并按表2設(shè)定材料參數(shù)，模型建立好后采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將整個制動盤分為3個部分，如圖2建立模型并劃分網(wǎng)格。

圖2 有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

3 制動溫度場仿真結(jié)果

經(jīng)有限元仿真可得到直觀的溫度場分布情況，如圖3是制動末期制動盤表面和徑向截面的溫度場云圖。

圖3 制動末期溫度場徑向分布

從溫度場分布情況可以得出，盤片接觸位置溫升值最高。制動盤片之間在接觸相交面上相互摩擦瞬間帶來巨大的熱能，因?yàn)樯鸁崴俣却笥谙蚩諝夂捅P內(nèi)部其它部位散熱速度，導(dǎo)致制動盤摩擦接觸位置溫度產(chǎn)生快速上升，在制動末期盤內(nèi)最高溫度值達(dá)到249.64℃。因制動時間較短，熱量未能及時散發(fā)出去，故非摩擦區(qū)域溫升較小，相對于摩擦區(qū)域表面的溫升，徑向溫升比較緩慢且最高溫度也達(dá)不到表面的最高溫度，導(dǎo)致內(nèi)外不同位置溫差明顯，這也是導(dǎo)致熱疲勞破壞的根本原因。

圖4 0～3.4s制動盤表面溫升曲線

由ANSYS得到的溫升曲線（見圖4）可知，制動盤表面在制動開始階段產(chǎn)生一個快速的溫升，而隨著制動的進(jìn)行，溫升速度逐漸降低，在制動即將結(jié)束前制動盤的溫度呈下降趨勢。出現(xiàn)這種狀況是因?yàn)橹苿颖P的轉(zhuǎn)速隨制動進(jìn)行會逐漸降低，熱流輸入密度隨之減小，到制動末期，轉(zhuǎn)速很小，由制動摩擦瞬間產(chǎn)生的熱量也就很小，當(dāng)產(chǎn)熱量低于散熱量時，就會出現(xiàn)溫度曲線下降的現(xiàn)象。

4 摩擦材料性能對溫度場的影響

為探究制動盤材料性能差異對溫升的影響效果，在ANSYS中先后采用相關(guān)參數(shù)如表3中的幾組球墨鑄鐵盤和鋼制動盤實(shí)現(xiàn)制動仿真，模擬過程中保持制動力矩、制動時間等條件一致，溫度場仿真結(jié)果如圖5所示。

表3 制動盤材料特性

圖5 不同材料制動盤緊急制動溫度場分布

從圖5的溫度場分布情況及圖6制動盤溫升曲線可以看出，選用的鑄鋼制動盤溫升明顯高于球鐵制動盤，1號球鐵制動盤溫升低于2號和3號球鐵盤，其原因主要和導(dǎo)溫系數(shù)α有關(guān)

其中：λ指導(dǎo)熱系數(shù)；ρ指制動盤密度；c指比熱容。

由于鑄鋼制動盤的密度較大，導(dǎo)熱系數(shù)較小，導(dǎo)致盤的散熱能力較弱，又根據(jù)分析可知，摩擦生成的熱量多少與密度呈正比關(guān)系，故相同規(guī)格的制動盤，鑄鋼盤比球鐵盤摩擦產(chǎn)生熱能更大，因此最終的溫升出現(xiàn)圖6所示規(guī)律。由于采用的1、2、3號球鐵盤密度相差不大，所以溫升曲線比較接近，1號球鐵盤由于導(dǎo)熱系數(shù)較大，比熱容較小，導(dǎo)致其散熱能力較強(qiáng)，雖然密度相比其它2個球鐵盤略大，生熱量稍大，但熱量不易積聚，很快被傳遞給盤的其它部位及空氣中，所以從溫升曲線上看，1號球鐵盤要低于2號和3號盤。因此，選用制動盤材料時，不僅要看材料的密度和彈性模量，而且材料的散熱性能指標(biāo)也十分重要，特別是比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，往往這些特性參數(shù)決定了制動器的制動性能好壞。

圖6 不同材料制動盤溫升曲線

5 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件對起重機(jī)用盤式制動器在不同參數(shù)材料匹配情況下進(jìn)行了制動熱機(jī)耦合仿真，結(jié)果表明，盤密度越大及導(dǎo)熱系數(shù)越小得到的溫升越高；制動盤片之間內(nèi)外和不同位置溫差比較明顯，這也是導(dǎo)致熱疲勞破壞的根本原因。

［1］ 孟祥寶. 基于ANSYS的制動器摩擦生熱分析［D］.延安：延邊大學(xué)，2014．

［2］ J. Choi，I. Lee. Finite element analysis of transient thermoelastic behaviors in disks［J］. Wear，257（2004）：47-58.

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