高業(yè)青
摘要:由于危險品的運輸需要格外注意車輛行駛的安全,因此要給予制動器的設(shè)計適當(dāng)關(guān)注,仔細(xì)探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,對于運輸車輛的瞬態(tài)傳熱也應(yīng)當(dāng)進行物理模型的建立、數(shù)值計算以及結(jié)果分析工作,進一步保護制動系統(tǒng),將車輛行駛的安全性提高。
關(guān)鍵詞:危險品運輸;制動器;瞬態(tài)傳熱
引言:車輛的制動器往往會由于熱衰退的原因造成制動失敗,為了對其熱衰退情況進行全面把握,科學(xué)家對制動機進行了多年研究探索并取得了一定成果,通過大量的比較試驗使獲得的計算結(jié)果更加精確,保留最合理的計算公式,為具備更穩(wěn)定性能的制動器的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
1危險品運輸車制動器設(shè)計
1.1制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計
研究發(fā)現(xiàn),盤式制動器相較于鼓式制動器而言性能更加穩(wěn)定,更能保障危險品的運輸車輛在行駛過程中的安全。以結(jié)構(gòu)設(shè)計為分類依據(jù),盤式制動器能夠分為兩種形式,一種形式為鉗盤式,其僅有部分區(qū)域接觸制動塊,而鉗盤式又可以分成兩種,一種是定鉗盤式,此鉗盤式具有諸多缺陷,例如需要較多油缸、制動鉗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受熱時制動液易汽化導(dǎo)致危險。另一種是浮鉗盤式,此鉗盤式的尺寸較小,相較于定鉗盤式而言,其制動液不易受到溫度影響發(fā)生汽化。除鉗盤式外的另一種形式為全盤式,其所有工作面都能夠接觸制動塊。
1.1.1制動盤
在車輛制動時,其襯片能夠向制動盤施加一定法向力,同時帶來適當(dāng)切向力,但此時制動盤會受到過熱的影響。為了達(dá)到更好的散熱,通常將通風(fēng)槽設(shè)置在制動盤中間,并且保持雙層結(jié)構(gòu)。制動盤的直徑D需要盡可能大以增加其有效半徑,進而縮小夾緊力,使襯塊上單位壓力的大小降低,車輛在剎車時也能將溫度控制在合理范圍之內(nèi)。輪輞直徑限制著剎車盤的具體大小,一般來說剎車盤的直徑大小在輪輞的70%以上,90%以下。實心制動盤的厚度也有固定要求,通常是在8~22mm范圍之內(nèi),部分附帶通風(fēng)孔道的制動盤的厚度略高,其范圍在22~45mm之間。由于攜帶危險品的車輛必須以安全為行駛的第一原則,因此在設(shè)計制動盤的結(jié)構(gòu)時,一般附帶通風(fēng)孔道,其厚度控制在25mm。
1.1.2制動鉗
一般情況下,車輛中的制動鉗的安裝位置位于車軸的前、后部。將其安裝于車軸前部時,其能夠有效阻擋行駛過程中輪胎甩帶的泥水,對制動鉗的防銹防腐具有一定作用,當(dāng)其安裝于車軸后部時,能夠在車輛行駛中有效減輕輪轂軸承承擔(dān)的載荷。由于危險品運輸車輛的安全備受關(guān)注,因此,其制動鉗必須具備高強度的性能,還需要擁有高剛度的質(zhì)量,為了滿足以上要求,一般選擇QT550作為制動鉗的材料。
1.1.3制動塊
制動塊的構(gòu)成部分主要有兩類,一類是背板,另一類是摩擦襯塊,兩者之間具有緊緊粘連的關(guān)系。為了防止襯塊發(fā)生卷角的情況,盡量避免危險車輛在行駛的過程中發(fā)出尖銳叫聲,要求活塞所盡可能將制動塊的面積全部壓住。車輛運輸中襯塊的磨損不可避免,在其過度磨損時,為了安全安裝的警報裝置將會發(fā)出警報,提醒駕駛員停車檢查并及時將磨損過度的襯片更換下來。通常制動塊中選擇14mm厚的摩擦片。
1.1.4摩擦材料
摩擦材料也是制動器中不可缺少的一部分,在制動器中使用的摩擦材料必須要滿足兩個要求,一是其摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定,二是具備優(yōu)異的抗熱衰退性能。只有滿足以上兩種要求的摩擦材料才能夠保障制動器中摩擦的正常,一旦其抗熱衰退性能與摩擦系數(shù)不足以應(yīng)對危險品運輸車輛中的制動要求,摩擦系數(shù)在溫度的影響下突然下降,非常容易導(dǎo)致行駛事故,帶來非常嚴(yán)重的安全問題。除此之外,摩擦材料還需要確保其耐磨性良好,吸水率偏低,同時具備優(yōu)良的耐擠壓性,也能夠耐沖擊。由于制動器在進行制動時需要避免噪聲問題以及異味的出現(xiàn),因此需要優(yōu)先選擇環(huán)保性強的材料。
1.1.5制動器間隙
尚未進行制動時需要確保制動器的間隙,此間隙需要留在制動盤和摩擦襯片中,只有確保兩者間間隙的正常存在才能夠使制動盤自由轉(zhuǎn)動。一般來說,盤式制動器需要控制的間隙范圍在0.15到0.35mm之間。由于間隙過大非常容易造成踏板行程的損失,因此間隙不能超出0.35mm。間隙的確認(rèn)時間應(yīng)當(dāng)在制動器的冷卻狀態(tài),其主要原因是制動的過程中必定會產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致材料的熱變形,間隙的測量結(jié)果將會出現(xiàn)偏差。為了做好間隙控制工作,需要在制動器中設(shè)置自動調(diào)整間隙的機構(gòu)。
1.2制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢
針對危險品運輸車輛設(shè)計的制動器結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢。首先,就其質(zhì)量而言,由于對結(jié)構(gòu)模型進行了優(yōu)化,為制動器的結(jié)構(gòu)省下了較多材料,運輸車輛的質(zhì)量在確保安全的前提下下降了許多。其次,就溫度而言,在設(shè)計過程中考慮到溫度對于制動器的影響,選取了諸多性能優(yōu)異的材料,使制動盤即使在剎車時也能夠控制住溫度,避免了剎車盤的過度損耗,降低了剎車盤故障的概率。最后,就其散熱性能而言,設(shè)計制動器結(jié)構(gòu)時,往往考慮到散熱性能而選擇帶有通風(fēng)口的部件,使制動器的散熱性能得到較好的保障。
2瞬態(tài)傳熱
2.1物理模型
為了對制動盤的瞬態(tài)傳熱進行深度分析,直觀地感受其制動時溫度發(fā)生的變化,準(zhǔn)確地分析熱量的產(chǎn)生和散發(fā),需要建立合理的數(shù)學(xué)模型[2]:
ρCP +ρCPu??T+??q=Q+Qtedq=-k?T
其中ρ指代的是剎車盤中各類材質(zhì)具備的密度,而CP指的是剎車盤中各種材質(zhì)正常的恒壓比熱容。公式中的u指的是制動器以及摩擦片兩者的相對速度,而k指的是熱彈性阻尼,最后?指的是微分算子。由于制動盤與摩擦片都處于空氣之中,并且都在強制進行對流散熱工作,因此設(shè)置的邊界條件如下:
q0=h(Tair-T)
其中,q0指代的是制動器的外表層由于對流散熱造成的熱流量,公式中的h指的是對流換熱的系數(shù),而Tair指的則是當(dāng)前空氣的溫度。制動盤與摩擦片除了對流散熱之外還能夠輻射傳熱,計算輻射傳熱的公式如下:
-n?q=εσ(T4amb-T4)
其中,Tamb代表著當(dāng)前環(huán)境的溫度,ε指代的是兩者表面的輻射率,而σ則是玻爾茲曼常數(shù)。在此數(shù)學(xué)模型中,制動器位于制動初始時間即t=0時,Tina=Tair
2.2數(shù)值計算
數(shù)值計算時,假定危險品的運輸車輛在行駛過程中初速度v0為20m/s,制動的加速度a為-10m/s2,其車輪的半徑r為0.35m,當(dāng)t=2s時進行剎車,則t=5s時將會結(jié)束剎車。當(dāng)其制動2s之后,剎車盤將會接觸剎車片交界面,假設(shè)忽視剎車外部產(chǎn)生的曳力,忽略其他部件發(fā)生的損耗,則延遲功率P的計算公式為:
P=- ( )=-mcaru
確定好所有公式與參數(shù)后,可以采用有限元的計算方法實施計算,利用comsol軟件劃分制動器。
2.3結(jié)果分析
當(dāng)車輛剎車后,2snei溫度將會快速上升,此時剎車盤的中心溫度變化不明顯,外側(cè)與其一致,而其與剎車片接觸的區(qū)域溫度變化最快,所達(dá)到的溫度最高。沒有通風(fēng)孔的制動器相對于設(shè)置了通風(fēng)口的制動器而言,其剎車后的溫度差異較大,并且其溫度的分布相對來說較為均勻,并且在傳遞熱量的效率上,其具有較大優(yōu)勢,而沒有設(shè)置通風(fēng)孔的制動器其溫度分布則具有明顯差距,其傳遞熱量的速度非常慢,效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如具有通風(fēng)口的制動器,很容易導(dǎo)致制動盤發(fā)生熱失效的情況。以上結(jié)果說明對制動器的模型進行通風(fēng)孔的設(shè)計很有必要,此類設(shè)計能夠較好地調(diào)控制動器中產(chǎn)生的熱疲勞。
結(jié)論:總而言之,對于安全第一的危險品運輸車輛而言,制動器的作用至關(guān)重要,研究人員需要仔細(xì)探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計以及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,通過瞬態(tài)傳熱的物理模型的建立、數(shù)值計算以及結(jié)果分析工作對其模型進行有效優(yōu)化,以實際數(shù)據(jù)為有力依據(jù)完善制動器的設(shè)計。
參考文獻(xiàn):
[1]俞鑫珂.盤式制動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2021,59(05):82-85+94.
[2]戴海燕,張繼華,李長玉.某危險品運輸車制動器設(shè)計及瞬態(tài)傳熱分析[J].中國工程機械學(xué)報,2020,18(03):264-268.