水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吳文海，沈 珺

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

引言

水冷盤(pán)式制動(dòng)器是盤(pán)式制動(dòng)器與液冷散熱方法相結(jié)合的一種制動(dòng)裝置，同時(shí)具備盤(pán)式制動(dòng)器[1]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力矩容量大、便于控制以及液冷散熱效率高的優(yōu)點(diǎn)；因此，相較于傳統(tǒng)通風(fēng)式制動(dòng)器，水冷盤(pán)式制動(dòng)器更適合應(yīng)用于如測(cè)功機(jī)、張力制動(dòng)、阻尼制動(dòng)及定位絞車(chē)等大功率的扭矩加載或制動(dòng)場(chǎng)合。隨著機(jī)械設(shè)備負(fù)載與運(yùn)行速度的增加，為保證水冷盤(pán)式制動(dòng)器工作的穩(wěn)定性，需要在制動(dòng)器工作過(guò)程中將摩擦副溫度控制在一定范圍內(nèi)；過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，摩擦材料發(fā)生質(zhì)變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦元件結(jié)構(gòu)受損[2]。由此可以看出，制動(dòng)器的散熱性能直接決定了制動(dòng)器的工作性能，制動(dòng)器散熱能力不佳會(huì)導(dǎo)致扭矩輸出失準(zhǔn)，甚至出現(xiàn)制動(dòng)失效的危險(xiǎn)情況。因此，較優(yōu)的散熱性能對(duì)制動(dòng)器的穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的意義。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)制動(dòng)器散熱性能的優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。MUNISAMY等[3]通過(guò)CFD方法分析了通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)在不同散熱肋板傾斜角度下的換熱效果，并指出肋板沿順時(shí)針?lè)较騼A斜45°時(shí)，散熱效果最佳；THUNDIL K等[4]采用CFD方法對(duì)比分析了圓柱形、錐形和金剛石狀筋板對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱效果的影響，并指出圓柱形筋板下的綜合散熱性能較好；徐乾衛(wèi)[5]提出通過(guò)在制動(dòng)盤(pán)面打孔對(duì)散熱性能進(jìn)行優(yōu)化，并采用熱流固耦合方法，分析了打孔參數(shù)對(duì)制動(dòng)盤(pán)散熱性能的影響；劉靜娟等[6]通過(guò)CFD耦合方法分析了不同筋板結(jié)構(gòu)下通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)的散熱特性，結(jié)果表明，圓弧筋板結(jié)構(gòu)可以較好地提高制動(dòng)盤(pán)散熱效果；盧術(shù)娟等[7]針對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)盤(pán)散熱筋的排列方式進(jìn)行了優(yōu)化，采用間接熱-結(jié)構(gòu)耦合方法，對(duì)新型散熱筋制動(dòng)盤(pán)的緊急制動(dòng)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最高溫度降低了7 ℃；黃曉華等[8]采用有限元軟件ABAQUS對(duì)3種不同仿生散熱筋結(jié)構(gòu)的下制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，螺旋型散熱筋效果最優(yōu)。

目前，對(duì)通風(fēng)式制動(dòng)器散熱性能的研究較多，但對(duì)于水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)及其散熱性能的研究存在不足。在此背景下，為提高水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱性能，本研究基于強(qiáng)化對(duì)流傳熱原理，提出了通過(guò)添加擾流柱的方式對(duì)制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)CFD方法研究不同散熱結(jié)構(gòu)下制動(dòng)器的綜合散熱性能，為水冷盤(pán)式制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型

1.1 水冷盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型

水冷盤(pán)式制動(dòng)器工作原理如圖1a所示，水冷盤(pán)式制動(dòng)器在工作過(guò)程中，通過(guò)制動(dòng)盤(pán)與摩擦片間的擠壓與滑摩，為運(yùn)動(dòng)部件提供摩擦扭矩；通過(guò)調(diào)節(jié)氣動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器輸出扭矩的控制。

1.摩擦片 2.制動(dòng)盤(pán) 3.安裝盤(pán) 4.連接齒輪 5.旋轉(zhuǎn)盤(pán)6.復(fù)位彈簧 7.導(dǎo)向螺栓 8.活塞 9.氣缸a.冷卻液入口 b.冷卻液出口 c.壓縮空氣入口圖1 水冷盤(pán)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)如圖1b所示，工作過(guò)程中，冷卻液從底部入口輸入，以對(duì)流換熱方式在安裝盤(pán)水槽中與制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行熱交換，隨后由頂部出口輸出；通過(guò)冷卻液的強(qiáng)制循環(huán)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器的持續(xù)散熱。

在水冷盤(pán)式制動(dòng)器中，安裝盤(pán)水槽大徑R1為208 mm，小徑R2為137 mm，水槽深度h為5 mm，冷卻液進(jìn)出口直徑為16 mm，制動(dòng)盤(pán)厚度為3 mm。

1.2 水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

基于水冷盤(pán)式制動(dòng)器的散熱原理，采用強(qiáng)化對(duì)流傳熱被動(dòng)技術(shù)對(duì)制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[9]，通過(guò)在安裝盤(pán)水槽內(nèi)添加擾流柱來(lái)影響冷卻液在水槽內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器散熱性能的優(yōu)化。改進(jìn)后的制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擾流柱散熱結(jié)構(gòu)示意圖

擾流柱在安裝盤(pán)水槽內(nèi)交叉排列，徑向等間距設(shè)置，間距S1=(R1-R2)/3，S2=S1/2，周向均勻分布58個(gè)；為保證冷卻液與制動(dòng)盤(pán)間有效接觸面積最大，設(shè)置擾流柱高度為3 mm，與制動(dòng)盤(pán)間隔2 mm。

以散熱結(jié)構(gòu)特征水力直徑一致為約束條件，設(shè)計(jì)了4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)，圓形、正三角形、橢圓形、水滴形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)分別如圖3a～圖3d所示，各擾流柱散熱結(jié)構(gòu)的特征水力直徑如表1所示。

圖3 擾流柱結(jié)構(gòu)示意圖

表1 擾流柱散熱結(jié)構(gòu)的特征水力直徑 mm

1.3 數(shù)值計(jì)算模型的建立

制動(dòng)器的散熱過(guò)程主要是通過(guò)冷卻液與制動(dòng)盤(pán)間的對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)的，因此為了簡(jiǎn)化仿真計(jì)算模型，舍去與制動(dòng)盤(pán)換熱過(guò)程無(wú)關(guān)的區(qū)域，直接對(duì)冷卻液流域進(jìn)行建模；同時(shí)省去制動(dòng)盤(pán)上與傳熱計(jì)算無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)。為了防止液體在流域入口、出口處出現(xiàn)回流，在液體流動(dòng)方向上，對(duì)進(jìn)、出口均延長(zhǎng)一部分[10]，所建立的計(jì)算域模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程

三維定常流數(shù)值模擬的控制方程如下[11]：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中，ρ—— 流體密度

u，v，w—— 速度矢量在x，y，z方向上的分量

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中,p—— 流體微元體所受壓力

μ—— 流體動(dòng)力黏度

能量守恒方程：

(3)

式中，Cp—— 比熱容

λ—— 流體導(dǎo)熱系數(shù)

T—— 溫度

ST—— 黏性耗散項(xiàng)

2.2 評(píng)價(jià)因子

為全面考慮換熱效果與流動(dòng)阻力的綜合影響，采用等泵功綜合評(píng)價(jià)因子PEC對(duì)散熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，相關(guān)參數(shù)定義如下[12-13]：

流域水力直徑：

(4)

(5)

式中,Vt—— 無(wú)擾流柱情況下流域體積

Vp—— 擾流柱總體積

Af—— 流域內(nèi)有效換熱面積

努塞爾數(shù)：

(6)

(7)

式中,h—— 對(duì)流換熱系數(shù)

λ—— 流體導(dǎo)熱系數(shù)

q—— 熱流密度

Ts—— 固體壁面溫度

Tf—— 流體溫度

阻力因子：

(8)

式中, Δp—— 流體進(jìn)出口靜壓差

u—— 流體入口速度

綜合評(píng)價(jià)因子：

(9)

3 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

使用ANSYS Meshing對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于擾流柱的存在使得流域結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，因此選用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格；為了獲得更為精確的流固耦合熱交換數(shù)據(jù)，在流固耦合面通過(guò)添加膨脹層對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，生成了較好的流體邊界層[14]；為驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算結(jié)果的無(wú)關(guān)性，選取5種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)；在相同的邊界條件下，分別對(duì)網(wǎng)格數(shù)量約為10萬(wàn)、20萬(wàn)、31萬(wàn)、41萬(wàn)和50萬(wàn)的模型計(jì)算至收斂，得到了平均努塞爾數(shù)和冷卻液進(jìn)出口壓差的變化曲線，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

由圖5可以看出，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，各檢測(cè)量逐漸趨于穩(wěn)定，其中平均努塞爾數(shù)的變化率小于0.27%，冷卻液進(jìn)出口壓差的變化率小于0.09%，因此綜合對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的考慮，選擇網(wǎng)格數(shù)量約為31萬(wàn)的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，所劃分的網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 計(jì)算域網(wǎng)格模型

3.2 邊界條件

1) 材料選擇

制動(dòng)盤(pán)材料為導(dǎo)熱性能較好的銅合金，冷卻介質(zhì)采用常溫液態(tài)水(298.15 K)，材料物性參數(shù)如表2所示。

表2 材料主要物性參數(shù)

2) 制動(dòng)盤(pán)熱載荷

制動(dòng)器工作時(shí)，由于摩擦片不同半徑處線速度不同，摩擦做功大小存在差異，所以熱流密度在盤(pán)面上的分布是不均勻的；為了能夠較真實(shí)地反映制動(dòng)盤(pán)面熱流密度的分布，選用摩擦功率法對(duì)制動(dòng)熱載荷進(jìn)行等效[15]；由于制動(dòng)盤(pán)與摩擦片材料物性參數(shù)的差異，使得二者分得的熱流密度也存在差異[16]。制動(dòng)盤(pán)所分配的熱流密度為：

q(r,t)=ημr·p(t)·ω(t)

(10)

式中,q(r,t) —— 靜摩擦盤(pán)上的熱流密度

μ—— 摩擦系數(shù)

p(t) —— 制動(dòng)壓力

ω(t) —— 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

r—— 摩擦副半徑

η—— 制動(dòng)盤(pán)的分熱系數(shù)

綜上所述，我們可以知道成本的管理控制和計(jì)算的管理在整個(gè)路橋工程建設(shè)中占據(jù)著重要的地位，這就進(jìn)一步要求路橋的相關(guān)施工單位一定要在思想上高度重視工程的計(jì)量以及成本的管理控制工作。施工的單位一定要不斷地完善和健全相關(guān)的規(guī)章制度，保證成本控制管理體系的科學(xué)可靠，進(jìn)而才能夠讓企業(yè)在成本控制以及計(jì)量方面獲取進(jìn)步，更好地滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求，保證企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

(11)

式中,Kq為制動(dòng)盤(pán)與摩擦片的熱流分配比例。

(12)

式中,ρd，ρp—— 制動(dòng)盤(pán)、摩擦片的材料密度

Cd，Cp—— 制動(dòng)盤(pán)、摩擦片的材料比熱容

λd，λp—— 制動(dòng)盤(pán)、摩擦片的材料導(dǎo)熱系數(shù)

3) 邊界條件設(shè)定

邊界條件的設(shè)定如圖7所示，其中流體入口設(shè)置為質(zhì)量流量入口0.4～1.0 kg/s，流體入口溫度為298.15 K；流體出口設(shè)置為壓力出口，壓力值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；環(huán)境溫度設(shè)置為293.15 K；在制動(dòng)盤(pán)摩擦接觸面加載熱流密度，并通過(guò)UDF功能實(shí)現(xiàn)函數(shù)加載；流固接觸面設(shè)置為interface耦合面，其他壁面均設(shè)置為無(wú)滑移絕熱面。

圖7 邊界條件示意圖

仿真過(guò)程中認(rèn)為冷卻液及制動(dòng)盤(pán)物性參數(shù)為常數(shù)，冷卻液為不可壓流體，并且考慮重力加速度對(duì)其影響。計(jì)算采用壓力基求解器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，采用Realizablek-ε湍流模型，選擇SIMPLE算法對(duì)壓力、速度進(jìn)行解耦，壓力、能量及動(dòng)量的求解均采用二階格式，以保證仿真計(jì)算的精度[17]，求解過(guò)程中當(dāng)連續(xù)性方程與動(dòng)量方程殘差小于10-3，能量方程殘差小于10-6認(rèn)為計(jì)算收斂。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 溫度特性分析

制動(dòng)盤(pán)溫度特性如圖8所示，可以看出，無(wú)論在哪種散熱結(jié)構(gòu)下，制動(dòng)盤(pán)面的最高溫度Tmax與平均溫度Ta都會(huì)隨著質(zhì)量流量qm的增大而降低。相較于無(wú)擾流柱散熱結(jié)構(gòu)，在4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)下，制動(dòng)盤(pán)的最高溫度與平均溫度都有較明顯的下降，這是由于擾流柱的存在減薄了傳熱邊界層，增加了冷卻液的擾動(dòng)，促進(jìn)了冷卻液各部分的混合。

圖8 制動(dòng)盤(pán)溫度特性

在4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)中，水滴形擾流柱對(duì)應(yīng)的盤(pán)面溫度最高，圓形與橢圓形擾流柱對(duì)應(yīng)的溫度相對(duì)較低，但與水滴形溫度差距不大；正三角形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的盤(pán)面溫度最低，相比于圓形、橢圓形、水滴形和無(wú)擾流柱散熱結(jié)構(gòu)的最高溫度平均降低了7.3，7.1，9.5，33 K，平均溫度平均降低了6.5，6.3，8.9，16.8 K。

4.2 換熱特性分析

圖9 制動(dòng)盤(pán)換熱特性

4.3 流動(dòng)阻力特性分析

圖10展示了各散熱結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)阻力特性。由圖10a可以看出，各散熱結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)阻力因子f的變化趨勢(shì)基本一致，均隨冷卻液質(zhì)量流量的增加而下降，并逐漸趨于穩(wěn)定；同時(shí)可以看出4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)下的阻力因子相比于無(wú)擾流柱散熱結(jié)構(gòu)均有顯著的提升；其中水滴形擾流柱因型面較為貼近流線型，所以產(chǎn)生的流動(dòng)阻力最小；由于正三角形擾流柱外緣較為平整，對(duì)冷卻液流動(dòng)狀態(tài)影響最大，也相應(yīng)地產(chǎn)生了最大的流動(dòng)阻力，相較于圓形、橢圓形及水滴形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)的阻力因子分別高出了9.6%，12.3%和15.6%，較無(wú)擾流柱結(jié)構(gòu)高出了19.5%。

圖10 流動(dòng)阻力特性

4.4 綜合散熱性能分析

為了更全面的對(duì)制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇使用綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC對(duì)換熱性能與流動(dòng)阻力的綜合作用進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖11為各擾流柱散熱結(jié)構(gòu)下的綜合評(píng)價(jià)因子的變化曲線。可以看出，盡管正三角形擾流柱帶來(lái)了較大的流動(dòng)阻力，但其強(qiáng)化對(duì)流換熱的能力較為突出，彌補(bǔ)了由阻力增加而導(dǎo)致壓力損失所產(chǎn)生的負(fù)面影響，因此使其具有最高的綜合散熱性能，相較于圓形、橢圓形以及水滴形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)分別提高了3.4%，2.4%和4.4%，較無(wú)擾流柱散熱結(jié)構(gòu)提高了6.7%。

圖11 綜合換熱性能

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)水冷盤(pán)式制動(dòng)器的散熱過(guò)程進(jìn)行了仿真，獲得了不同散熱結(jié)構(gòu)下制動(dòng)盤(pán)溫度分布、散熱特性及流動(dòng)特性，并對(duì)其進(jìn)行了深入分析，獲得了以下結(jié)論：

(1) Fluent仿真結(jié)果表明，本研究提出的通過(guò)添加擾流柱對(duì)制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的方法有效，所設(shè)計(jì)的4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)對(duì)水冷盤(pán)式制動(dòng)器的散熱效果均有一定程度地提升；

(2) 隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加，各種散熱結(jié)構(gòu)下的制動(dòng)盤(pán)溫度均有下降，平均努塞爾數(shù)均有增加；在4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)中，正三角形擾流柱結(jié)構(gòu)具有最低的制動(dòng)盤(pán)溫度與最高的平均努塞爾系數(shù)，較無(wú)擾流柱結(jié)構(gòu)的最高溫度與平均溫度分別平均降低了33 K，16.8 K，平均努塞爾數(shù)平均提高了13.5%；

(3) 擾流柱結(jié)構(gòu)的存在給冷卻液帶來(lái)了較大的流動(dòng)阻力，其中正三角形擾流柱會(huì)產(chǎn)生最大的流動(dòng)阻力，較圓形、橢圓形和水滴形擾流柱分別高出了9.6%，12.3%和15.6%，較無(wú)擾流柱結(jié)構(gòu)高出了19.5%；

(4) 綜合考慮4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能與流動(dòng)特性帶來(lái)的影響，以綜合性能評(píng)價(jià)因子PEC為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，正三角形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的綜合散熱性能，相較于圓形、橢圓形以及水滴形擾流柱結(jié)構(gòu)分別提高了3.4%，2.4%和4.4%，較無(wú)擾流柱散熱結(jié)構(gòu)提高了6.7%，因此在設(shè)計(jì)的4種擾流柱散熱結(jié)構(gòu)中，正三角形擾流柱散熱結(jié)構(gòu)為最優(yōu)的散熱結(jié)構(gòu)；

(5) 采用數(shù)值模擬方法對(duì)水冷盤(pán)式制動(dòng)器的流固耦合傳熱過(guò)程進(jìn)行仿真，具有一定的準(zhǔn)確性，為水冷盤(pán)式制動(dòng)器散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考，所提出的擾流柱散熱結(jié)構(gòu)為水冷盤(pán)式制動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了新的思路。