平臺(tái)絞車制動(dòng)帶瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

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(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

平臺(tái)絞車是平臺(tái)上的主要拖拽設(shè)備，當(dāng)其拖拽其他設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)主要為平臺(tái)絞車提供反力，故制動(dòng)性能直接決定平臺(tái)絞車的拖拽能力。帶式制動(dòng)主要依靠制動(dòng)帶與滾筒側(cè)板間的摩擦使其靜止。在此制動(dòng)過(guò)程中，雖然滾筒的速度很慢，但由于滾筒和鋼絲繩的重量很大，致使在制動(dòng)期間，會(huì)在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量迅速的由制動(dòng)帶和滾筒側(cè)板吸收，導(dǎo)致制動(dòng)帶溫度迅速上升[1-6]。因此，必須考慮制動(dòng)帶在制動(dòng)過(guò)程中溫度的變化規(guī)律[7]?？紤]采用ANSYS經(jīng)典模塊分析軟件，分析帶式制動(dòng)在制動(dòng)過(guò)程中的摩擦片瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

1 帶式制動(dòng)過(guò)程

如圖1所示， 制動(dòng)帶在滾筒側(cè)板上方，當(dāng)需要對(duì)滾筒靜制動(dòng)時(shí)，外力將制動(dòng)帶緊緊壓在滾筒側(cè)板上，通過(guò)制動(dòng)帶與滾筒側(cè)板之間的摩擦，使得滾筒制動(dòng)。

圖1 制動(dòng)帶制動(dòng)結(jié)構(gòu)示意

滾筒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能被制動(dòng)帶和滾筒側(cè)板吸收。

假設(shè)在制動(dòng)時(shí)間內(nèi)，滾筒速度均勻減小，則在Δt時(shí)間內(nèi)減小的動(dòng)能ΔJ為

(1)

對(duì)式(1)兩邊對(duì)t積分,得到摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能為

(2)

式中：v為滾筒的線速度；m為質(zhì)量；t0為制動(dòng)時(shí)間。

2 分析邊界條件確定

2.1 熱流密度計(jì)算

制動(dòng)過(guò)程意味著滾筒的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能被滾筒和制動(dòng)帶所吸收，此熱能以熱流密度的形式從制動(dòng)與滾筒側(cè)板接觸表面流入制動(dòng)帶和滾筒中，熱流密度為

(3)

2.2 分配系數(shù)的確定

制動(dòng)帶和滾筒摩擦纏繩的熱量以熱流密度的形式傳入滾筒側(cè)板和制動(dòng)帶中，其分配系數(shù)[8]為

(4)

式中：qm和qg分別為流入制動(dòng)帶和滾筒側(cè)板的熱流密度。

滾筒側(cè)板和制動(dòng)帶的材料屬性見(jiàn)表1。

2.3 仿真參數(shù)確定

選用絞車結(jié)構(gòu)，滾筒質(zhì)量為8 000 kg，滾筒制動(dòng)前速度為15 m/s,制動(dòng)時(shí)間為10 s，則流入制動(dòng)帶的熱流密度qm=41 400t-1 380t2。

表1 材料屬性

加載步驟如下。

1)在制動(dòng)帶內(nèi)表面加載熱流。

2)在制動(dòng)帶的端面和外表面加載與空氣的對(duì)流。

3 制動(dòng)帶瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

在ANSYS經(jīng)典模塊下，按照上述加載模式，得到制動(dòng)帶幾個(gè)瞬態(tài)的溫度云圖見(jiàn)圖2。制動(dòng)帶最高溫度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖3。

圖2 不同時(shí)刻制動(dòng)帶溫度云圖

圖3 制動(dòng)帶最高溫度隨時(shí)間的變化

由圖3可見(jiàn)，隨著時(shí)間的變化制動(dòng)帶在滾筒靜止過(guò)程中，總體上溫度呈上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)樵谥苿?dòng)帶與滾筒側(cè)板在進(jìn)行摩擦制動(dòng)過(guò)程中，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能被制動(dòng)帶所吸收。隨著制動(dòng)時(shí)間的推移制動(dòng)帶的溫度上升趨勢(shì)逐漸減小，主要是因?yàn)樵谥苿?dòng)過(guò)程中，在單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的能量逐漸減小 ，并且制動(dòng)帶的端面和外表面一直在散熱，也是造車制動(dòng)帶溫度增加趨勢(shì)減小的原因之一。但在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)帶的溫度始終是在不斷增加的，可以看出，在制動(dòng)過(guò)程中，由于制動(dòng)時(shí)間很短，滾筒動(dòng)能很大，導(dǎo)致在制動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生大量的熱量，而這些熱量?jī)H靠制動(dòng)帶端面和外表面散熱是很微弱的，制動(dòng)帶的溫度只能在制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，慢慢散熱。

制動(dòng)帶上溫度沿不同徑向變化見(jiàn)圖4。

圖4 制動(dòng)帶上溫度沿徑向的變化

由圖4可見(jiàn)，沿徑向制動(dòng)帶溫度逐漸減小，是由于制動(dòng)帶與滾筒側(cè)板纏繩的熱量是由內(nèi)向外逐漸傳遞的，并且由于制動(dòng)帶外圓與空氣接觸存在對(duì)流散熱；且隨著半徑的增加，減小趨勢(shì)逐漸減小，可以看出，由于制動(dòng)時(shí)間較短，摩擦產(chǎn)生的大量熱量只能由制動(dòng)帶與滾筒側(cè)板接觸的表面所吸收，造成表面局部區(qū)域溫度驟然上升，長(zhǎng)此會(huì)使表面制動(dòng)帶與滾筒側(cè)板間的摩擦系數(shù)減小，最終影響整個(gè)剎車帶的使用壽命。

通過(guò)對(duì)比圖4中制動(dòng)帶中間位置溫度和制動(dòng)帶端面位置溫度的差異，可以看出，在每一個(gè)徑向位置，制動(dòng)帶中間位置的溫度略高于制動(dòng)帶端面位置的溫度，是因?yàn)橹苿?dòng)帶端面與空氣之間存在對(duì)流散熱造成的。而中間位置的溫度較端面位置的溫度最高相差0.5°，說(shuō)明制動(dòng)帶端面與空氣之間的散熱效果很差，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，基本無(wú)任何作用。

不同位置軸向溫度對(duì)比見(jiàn)圖5。

圖5 不同位置軸向溫度對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，3個(gè)制動(dòng)帶軸向位置的溫度變化都是隨著軸向距離的增加先增大而后基本保持不變。總體來(lái)說(shuō)，軸向溫度基本保持不變的，只在2個(gè)端面位置，由于制動(dòng)外端面與空氣有一定散熱的影響，使得制動(dòng)帶2個(gè)端面處軸向溫度稍微低于中間軸向位置溫度。3個(gè)位置的溫度從內(nèi)向外逐漸減小，再次證明溫度是由內(nèi)向外逐漸減小的。

4 結(jié)論

分析特定工況下平臺(tái)絞車制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)帶瞬態(tài)溫度場(chǎng)表明，在平臺(tái)絞車制動(dòng)工況下，制動(dòng)帶的溫度是一直上升的。

對(duì)比制動(dòng)帶不同位置的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，得到與滾筒側(cè)板接觸區(qū)域溫度最高，遠(yuǎn)離接觸區(qū)域的溫度明顯較低；制動(dòng)帶兩端的溫度較中間溫度較低。

建議在設(shè)計(jì)平臺(tái)絞車制動(dòng)帶時(shí)，考慮盡量在絞車滾筒低速時(shí)對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)，并在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，適當(dāng)增加散熱區(qū)域。