張哲敏

（同煤集團(tuán)機(jī)電裝備科大機(jī)械有限公司， 山西 大同 037000）

引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤礦資源成為目前我國的主要能源，然煤礦行業(yè)的安全問題卻相當(dāng)嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)因煤礦事故死亡的人數(shù)占世界礦難人數(shù)的80%，煤礦事故的發(fā)生嚴(yán)重影響著人員及財(cái)產(chǎn)的安全。礦難事故發(fā)生后，煤礦救援運(yùn)載車作為一款專業(yè)運(yùn)輸救援機(jī)器人的運(yùn)輸工具，有效縮短了救援時(shí)間，提高了救援效率。煤礦救援運(yùn)載車的制動性能主要依靠電磁制動器來實(shí)現(xiàn)，可保證運(yùn)載車在減速或剎車過程中的制動性能，但在制動過程中，由于制動器中制動盤與摩擦片之間會因相互摩擦而產(chǎn)生大量的熱量，使制動器溫度上升，影響著制動器的制動性能；同時(shí)，煤礦事故發(fā)生后，其周邊環(huán)境的瓦斯?jié)舛容^大，加之制動器溫度的上升，可能會引起人員及設(shè)備的安全事故。因此，應(yīng)用ABAQUS建立關(guān)于電磁制動器的有限元模型，開展基于制動盤表面溫度分布和制動盤應(yīng)力變化分析的電磁制動器熱力學(xué)仿真分析研究，對有效掌握并控制制動器溫度的上升、保證制動器滿足防爆安全要求有重要意義。

1 電磁制動器熱力學(xué)理論分析

1.1 電磁制動器工作原理

選現(xiàn)有成熟的電磁電磁制動器作為分析對象。電磁制動器作為煤礦運(yùn)載車上重要的制動裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、制動效果優(yōu)良、響應(yīng)時(shí)間快速、控制及安裝方便等特點(diǎn)，其構(gòu)成的制動系統(tǒng)的制動原理為：通過改變輸入到電磁鐵的相關(guān)電流參數(shù)，控制電磁鐵產(chǎn)生電磁力的大小，實(shí)現(xiàn)對制動力的控制。在整個(gè)制動過程中，煤礦運(yùn)載車上的熱量主要來自摩擦片與制動盤之間的摩擦生熱，其產(chǎn)生的摩擦熱載荷隨時(shí)間發(fā)生瞬態(tài)變化，致使電磁制動器瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場均隨著時(shí)間的變化而發(fā)生改變，故對電磁制動器進(jìn)行熱力學(xué)理論分析[1]。

1.2 電磁制動器熱傳導(dǎo)方程

以制動盤回轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的圓柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)系中制動盤的旋轉(zhuǎn)軸為Z軸，徑向?yàn)閞，周向?yàn)棣龋⒎欠€(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程：

式中：k為制動盤熱傳導(dǎo)系數(shù)；ρ為制動盤密度；c為制動盤比熱容。

制動過程中摩擦片與制動盤高速相對滑動，摩擦產(chǎn)生的熱量全部由兩者接觸點(diǎn)產(chǎn)生的單位熱源疊加形成[2]。

因此，設(shè)摩擦片與制動盤的動摩擦系數(shù)為μ，兩者在接觸點(diǎn)摩擦產(chǎn)生的單位應(yīng)力為pij，摩擦片與制動盤相對滑動速度為v。則在接觸點(diǎn)（i，j）單位小面積上產(chǎn)生的單位熱源的熱流密度qij為：

忽略摩擦片與制動盤之間的磨損，則摩擦產(chǎn)生的熱流輸入為[3]：式中：q為摩擦產(chǎn)生的熱流密度；ω為制動盤的制動角速度。

1.3 電磁制動器熱應(yīng)力方程

制動盤與摩擦片之間在制動中，因摩擦產(chǎn)生熱應(yīng)力，產(chǎn)生的線應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：ε為彈性體的線應(yīng)變；α為材料的線性膨脹系數(shù)；T0為制動初始溫度。

由此，可得出電磁制動器彈性體的應(yīng)力為[4]：

式中：σ為彈性體的應(yīng)力矩陣；D為電磁制動器彈性矩陣；Δε為溫度變化引起彈性體的線應(yīng)變矩陣。

2 電磁制動器熱力學(xué)仿真分析

根據(jù)規(guī)定，電磁制動器的最高表面溫度應(yīng)符合礦井軌道機(jī)車制動性能要求。電磁制動器摩擦部件材質(zhì)應(yīng)為非金屬和鑄鐵，或者具有與非金屬和鑄鐵同樣摩擦特性的材料，不應(yīng)使用輕金屬合金。

2.1 電磁制動器物理參數(shù)

電磁制動器的主要參數(shù)如表1、表2和表3所示[2]。

表1 電磁制動器熱物理性能參數(shù)

表2 電磁制動器材料參數(shù)

表3 制動盤力學(xué)性能參數(shù)

由此，根據(jù)現(xiàn)有值，對電磁制動器的三維模型進(jìn)行了建立，如圖1所示。

圖1 電磁制動器三維模型

2.2 電磁制動器模型假設(shè)及有限元模型建立

為簡化計(jì)算難度，需對電磁制動器做如下假設(shè)[5]：

1）制動過程中車輪與鋼軌之間附著系數(shù)保持不變，制動結(jié)束前為純滾動；

2）忽略摩擦接觸界面的熱阻；

3）制動力在摩擦接觸面上為均勻分布；

4）制動盤與摩擦片的參數(shù)不隨溫度變化而發(fā)生改變；

5）制動盤兩側(cè)摩擦片產(chǎn)生熱量相同。

由此，采用ABAQUS軟件建立了電磁制動器的有限元模型，如圖2所示。

2.3 邊界條件的設(shè)定

通過查閱資料[6]，對電磁制動器有限元模型的邊界條件進(jìn)行如下設(shè)定：理論制動時(shí)間設(shè)定為3.87 s；摩擦片表面的對流換熱系數(shù)值為h=5.3 W/（m2·K）；由于整車制動過程中產(chǎn)生的90%摩擦熱流能量會分配到制動盤上，故摩擦熱流輸入分配系數(shù)為0.9；制動盤與摩擦片間的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)約為10 000～30 000 W/（m·℃），取Kc=29 000 W/（m·℃）。

圖2 電磁制動器有限元模型

2.4 邊界條件施加

將制動盤初始角速度設(shè)值為18.6 rad/s，對摩擦片施加均勻的壓力載荷1.51 MPa[7]。接觸面屬性：熱流分配系數(shù)為0.150 5；摩擦系數(shù)為0.38；接觸面間的熱傳導(dǎo)系數(shù)Kc=29 000 W/（m·℃）。

3 電磁制動器熱力學(xué)仿真結(jié)果分析

結(jié)合建立的電磁制動器熱力學(xué)有限元模型，利用ABAQUS軟件，從制動盤表面溫度分布和制動盤應(yīng)力變化兩方面對電磁制動器進(jìn)行了熱力學(xué)仿真分析。

3.1 制動盤表面溫度分布分析

下頁圖3為煤礦運(yùn)載車制動器在不同制動時(shí)刻制動盤表面的溫度分布云圖。由圖3分析可知，在整個(gè)制動過程中，制動盤摩擦環(huán)附近摩擦表面溫度呈現(xiàn)先逐漸升高后逐漸降低的變化趨勢，當(dāng)制動時(shí)間t=2.1 s時(shí)，制動盤摩擦環(huán)附近的平均溫度達(dá)到最高值98℃，滿足礦井軌道機(jī)車制動性能要求，分析其原因?yàn)椋涸谥苿舆^程中，摩擦片與制動盤面摩擦熱流的輸入值與周圍環(huán)境的對流換熱和熱傳導(dǎo)之間出現(xiàn)先大于后小于的現(xiàn)象，導(dǎo)致制動盤溫度發(fā)生變化。同時(shí)，制動盤外盤邊緣溫度總是高于內(nèi)側(cè)邊緣溫度，但整體表面溫度分布的均勻性較差。由此表明制動盤材料的選擇滿足設(shè)計(jì)要求[8-9]。

3.2 制動盤應(yīng)力變化分析

下頁圖4為在不同制動時(shí)刻下制動盤上應(yīng)力的變化分布云圖。由圖4分析可知，在整個(gè)制動過程中，制動盤的應(yīng)力出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)制動時(shí)間t=1.1 s時(shí)，制動盤的等效應(yīng)力達(dá)到了最高值613 MPa，超過制動盤材料的屈服強(qiáng)度值400 MPa；同時(shí)，在制動過程中，制動盤最高應(yīng)力主要分布在內(nèi)環(huán)邊緣處，分析其原因?yàn)椋河捎谥苿颖P內(nèi)環(huán)邊緣沒有設(shè)立倒角，使得在摩擦片壓緊制動盤制動時(shí)，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并使等效應(yīng)力超過材料極限屈服應(yīng)力。由此表明，該制動盤存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理現(xiàn)象，在后期設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

圖3 不同制動時(shí)刻制動盤表面溫度（℃）分布云圖

4 結(jié)論

采用ABAQUS軟件，完成對摩擦片與制動盤三維模型和有限元模型的建立，開展了電磁制動器的熱力學(xué)仿真分析，得出如下結(jié)論：

圖4 不同制動時(shí)刻制動盤應(yīng)力（MPa）變化的分布云圖

1）制動盤摩擦環(huán)附近摩擦面溫度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，在制動時(shí)間t=2.1 s時(shí)，制動盤摩擦環(huán)附近的平均溫度達(dá)到最高值98℃，滿足礦井軌道機(jī)車制動性能要求，表明制動盤材料的選擇滿足設(shè)計(jì)要求；

2）制動盤等效應(yīng)力出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力超過了材料的屈服極限，表明制動盤內(nèi)環(huán)邊緣存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，在后期設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。