劉金 廖云飛

摘 要：電渦流緩速器的散熱性能直接影響緩速器的制動(dòng)性能，而緩速器轉(zhuǎn)子的對(duì)流換熱在其散熱過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。本文從電渦流緩速器實(shí)際工況出發(fā)，對(duì)兩種機(jī)械結(jié)構(gòu)的緩速器轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了熱流耦合分析，對(duì)轉(zhuǎn)盤的受熱關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行逐層分析，探討了轉(zhuǎn)盤的對(duì)流散熱情況和熱應(yīng)力集中情況。研究結(jié)果表明，改變緩速器的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能有效改善其流場(chǎng)情況，增加層流的比例，減小紊流的情況，對(duì)降低緩速器的工作溫度起到促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：電渦流緩速器;溫度場(chǎng);熱流耦合分析;機(jī)械結(jié)構(gòu);散熱性能

中圖分類號(hào)：TH132.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0043-04

Coupling Analysis of Temperature Field and Heat Flow of

Eddy Current Retarder Rotor

LIU Jin1 LIAO Yunfei2

Abstract： The braking performance of the eddy current retarder depended on its capacity of heat dissipation. In the heat dissipation process， the most importance is the conventional heat transfer of the retarder’s rotor. In the manuscript， based on the actual working conditions， the thermal-fluid coupling analysis of two kinds of mechanical structures of retarder turntables was carried out. For the critical heating zone， we investigated the situation of convention heat transfer and thermal stress layer by layer. The research results shows that， the flow field could be promoted by idealizing the mechanical structure of the rotor. With the improve of the flow field， the proportion of laminar flow has been increased and turbulence is reduced accordingly.This will play a role in reducing the working temperature of the retarder.

Keywords： eddy current retarder;temperature field;coupling analysis of heat flow;mechanical structure;heat dissipation performance

1 研究背景

扭矩和熱衰退率是衡量電渦流緩速器的重要指標(biāo)。良好的緩速器應(yīng)具有足夠大的扭矩和較小的熱衰退率[1，2]。轉(zhuǎn)盤是電渦流緩速器的重要散熱部件，其散熱性能直接決定自身的溫度。而轉(zhuǎn)盤的溫度會(huì)直接影響線圈的電阻率，進(jìn)而影響感應(yīng)電流的強(qiáng)度和感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度，最終決定緩速器扭矩的大小[3，4]?？梢?jiàn)，緩速器轉(zhuǎn)盤的散熱性能決定了緩速器的制動(dòng)性能[5]。有研究認(rèn)為，在轉(zhuǎn)子盤主要依靠輻射和對(duì)流進(jìn)行散熱，其中對(duì)流換熱的總貢獻(xiàn)率高達(dá)60%～70%[6]。顯然，對(duì)流換熱對(duì)電渦流緩速器的散熱性能起到了至關(guān)重要的作用[7]。

2 理論基礎(chǔ)

轉(zhuǎn)子溫度分布受鐵芯、定子材料和周圍空氣對(duì)流引起的熱傳導(dǎo)的影響，以及氣隙、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，定子表面熱通量為：

[qc=hc（T）（T-Te）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[qc]為對(duì)流產(chǎn)生的熱通量;[hc]為熱傳導(dǎo)系數(shù);[Te]為環(huán)境溫度。

轉(zhuǎn)子的邊界條件熱傳導(dǎo)方程為：

[qr=hr（T）（T4-T4e）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[-λ?T?n=εσF*（T4-T4e）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[n]為定子邊界上傳導(dǎo)的法向矢量;[ε]為熱輻射率;[σ]為Stefan-Boltzmann系數(shù);[F*]為熱輻射角系數(shù)。

根據(jù)傅里葉熱定理原理，傳熱材料中單位截面的溫度變化率和在單位時(shí)間內(nèi)給其傳導(dǎo)的熱量成正比關(guān)系，公式如式（4）所示。此定理解釋了熱流密度、導(dǎo)熱系數(shù)及溫度梯度三者間的相互關(guān)系，是主要描述導(dǎo)熱現(xiàn)象的物理學(xué)基本定理之一。

[q=-λ?T?n] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[q]為熱流密度，W/m2;λ，熱導(dǎo)率，W/（m·K）;T為物體溫度，K。

如果以直角坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，則傅里葉導(dǎo)熱定理公式為：

[q=-λx?T?xi-λy?T?yj-λz?T?zk] ? ? ? ? ? ? （5）

3 緩速器結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 緩速器結(jié)構(gòu)

前、后轉(zhuǎn)盤和中間軸一起構(gòu)成了轉(zhuǎn)子總成。轉(zhuǎn)盤由具有高導(dǎo)磁性能的耐高溫材料制成，其上設(shè)計(jì)有不同形狀的散熱肋片。散熱肋片間形成的空氣通道用以電渦流緩速器制動(dòng)過(guò)程中的散熱。轉(zhuǎn)盤內(nèi)部通過(guò)筋條連接。轉(zhuǎn)盤與突緣固定，突緣通過(guò)花鍵與中間軸固定，轉(zhuǎn)盤突緣與傳動(dòng)軸突緣通過(guò)螺栓鎖緊相連，隨著傳動(dòng)軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤隨傳動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)切割，由定子線圈通電后生成的磁力線而生熱，熱量通過(guò)轉(zhuǎn)盤散熱通道形成強(qiáng)制對(duì)流換熱，同時(shí)高溫轉(zhuǎn)盤向外界輻射熱量，圖1為電渦流緩速器持續(xù)工作10min以上時(shí)轉(zhuǎn)盤的狀態(tài)圖。緩速器前后轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)相同，外形一致，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速一致，只是轉(zhuǎn)盤風(fēng)道的旋向不同。因此，將對(duì)象安裝的2個(gè)緩速器轉(zhuǎn)盤簡(jiǎn)化為單轉(zhuǎn)盤進(jìn)行分析。簡(jiǎn)化以后的模型如圖2所示。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為改善緩速器轉(zhuǎn)盤的對(duì)流換熱性能，筆者將原A轉(zhuǎn)盤中漸開(kāi)線葉片改為B轉(zhuǎn)盤中的圓弧形葉片，并改進(jìn)轉(zhuǎn)盤邊緣角度，以減少出風(fēng)口處的紊亂氣流，減少進(jìn)氣阻力，提高進(jìn)風(fēng)量。同時(shí)，增加葉片數(shù)量，提高傳導(dǎo)散熱的能力。此外，還對(duì)風(fēng)道前緣進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。轉(zhuǎn)盤三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 數(shù)值分析

4.1 有限元模型邊界條件

如圖4所示，有限元模型包含熱源（貼近磁軛的厚盤）和散熱盤（散熱肋片、薄盤和連接輻條）兩部分。而流體域則包含轉(zhuǎn)盤附近半徑0.315m范圍的盤形區(qū)域，包括散熱通道在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)域和轉(zhuǎn)盤外場(chǎng)半徑1.5m，軸向0.5m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)域。

轉(zhuǎn)盤數(shù)值分析參數(shù)如表1所示。

4.2 流場(chǎng)分布情況

圖5顯示了轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中的空氣三維流場(chǎng)情況。在轉(zhuǎn)盤內(nèi)部，A型轉(zhuǎn)盤的內(nèi)部紊流多于B型轉(zhuǎn)盤的紊流，這導(dǎo)致A型轉(zhuǎn)盤氣流速度降低。紊流較少的B型轉(zhuǎn)盤，氣流阻力更小?？梢?jiàn)，B型轉(zhuǎn)盤的對(duì)流換熱能力較A型轉(zhuǎn)盤好。

4.3 溫度場(chǎng)在厚盤軸向的分布情況

為進(jìn)一步考察改進(jìn)前后轉(zhuǎn)盤溫度場(chǎng)的分布情況，對(duì)圖6描述的轉(zhuǎn)盤厚盤軸向截面1至截面3共3個(gè)剖切平面進(jìn)行了分析。

如圖7所示，截面1的溫度分布云圖顯示出A型轉(zhuǎn)盤的溫度分布明顯不均勻，同一平面的溫差非常大，其內(nèi)部會(huì)由于變形而產(chǎn)生較B型轉(zhuǎn)盤更多的形變應(yīng)力。而B(niǎo)型轉(zhuǎn)盤總體溫度相對(duì)一致，沒(méi)有極端高溫或者低溫的地方。

圖8為截面2的溫度云圖。在該截面，A型轉(zhuǎn)盤和B型轉(zhuǎn)盤均出現(xiàn)了深藍(lán)色的低溫區(qū)。與截面1類似，在截面2上，A型轉(zhuǎn)盤的內(nèi)部整體溫度分布仍然不均勻，未像B型轉(zhuǎn)盤一樣出現(xiàn)連片的高溫區(qū)。同一平面仍然具有很大的溫差。而B(niǎo)型轉(zhuǎn)盤雖然也有成團(tuán)的高溫集中區(qū)域，但整體而言，其連成一片的高溫區(qū)對(duì)變形的影響相對(duì)較小，形變應(yīng)力也較小。

圖9為截面3的溫度云圖。由圖3可知，到此位置時(shí)，A型轉(zhuǎn)盤和B型轉(zhuǎn)盤的溫度已經(jīng)較低，基本不存在影響總體性能的殘余應(yīng)力。

由上述分析可知，A型轉(zhuǎn)盤在每個(gè)截面的溫度分布的一致性都比B型轉(zhuǎn)盤要差，基本在每個(gè)截面都出現(xiàn)了溫度集中的情況。相對(duì)而言，B型轉(zhuǎn)盤在每個(gè)截面的溫度分布都比A型轉(zhuǎn)盤要均勻很多，其溫度分布一致性很好。從溫度分布情況來(lái)看，B型轉(zhuǎn)盤的散熱性能比A型好，關(guān)鍵是，其內(nèi)部溫度分布均勻性好，不會(huì)出現(xiàn)較大的形變應(yīng)力。

5 結(jié)論

對(duì)兩種轉(zhuǎn)盤進(jìn)行熱-流耦合分析后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)緩速器轉(zhuǎn)盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制，進(jìn)而控制緩速器的對(duì)流換熱狀況，得到了更好的轉(zhuǎn)盤溫度場(chǎng)分布狀況。通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，原有轉(zhuǎn)盤的對(duì)流形式由紊流占主體地位變?yōu)閷恿髡贾黧w地位，這一變化帶來(lái)了轉(zhuǎn)盤工作過(guò)程中更高的散熱效率。對(duì)轉(zhuǎn)盤厚盤進(jìn)行溫度場(chǎng)的分層考察后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)盤由于對(duì)流狀況的改善，溫度分布變得更均勻，降低了熱應(yīng)力的集中。

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