電梯制動器閘瓦制動溫度特性仿真分析研究

劉 林

（沈陽特種設(shè)備檢測研究院，沈陽 110035）

隨著社會的發(fā)展，電梯作為一種重要的交通運輸工具，數(shù)量日漸增長，在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鸬搅酥匾饔谩Ｖ苿悠髯鳛殡娞莸暮诵牧悴考渲苿影踩员Ｕ现娞莩丝偷娜松戆踩?，特別是近年頻頻發(fā)生制動失效引發(fā)的墜落和沖頂事故的情況下[1-2]。制動過程本質(zhì)上是摩擦生熱過程，過程中閘瓦、制動輪表面會產(chǎn)生大量熱量。制動器摩擦生熱會出現(xiàn)分布不均勻的溫度場，而不均勻的溫度場又會影響閘瓦的接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力，進(jìn)一步影響制動過程和溫升變化。因此，電梯的制動求解是一種典型的熱力耦合現(xiàn)象。此外，制動過程中突增的溫度不僅會引起制動器的內(nèi)應(yīng)力和疲勞損傷，嚴(yán)重時甚至?xí)鹬苿悠髦苿恿亟档汀Ｒ虼?，必須對電梯制動器閘瓦在制動過程中的溫升特性進(jìn)行研究[3-4]，利用ANSYS軟件對電梯制動器進(jìn)行熱力耦合分析，從而為定期檢驗提供理論指導(dǎo)。

1 電梯制動器有限元模型

1.1 電梯制動器工作原理

制動器是電梯安全平穩(wěn)運行不可缺少的重要裝置，能夠在電梯電源被切斷時自行動作，使得制動閘瓦抱住制動輪停止電梯的運行。電梯到站時，制動器應(yīng)能夠保證在125%額定載荷情況下使電梯靜止不動。當(dāng)電梯運行中出現(xiàn)超速并達(dá)到限速器動作速度時，制動器先動作，對制動輪實施制動，使電梯停止運行。

1.2 制動器有限元模型的建立

在電梯制動器制動過程中，制動輪和閘瓦是制動摩擦產(chǎn)生的主要部件。此過程中產(chǎn)生的熱量主要由這兩個部件吸收，因此它們在制動過程中溫度能迅速升高。使用UG軟件建立制動輪和閘瓦的三維模型，去除模型中對耦合特性影響甚微的細(xì)小結(jié)構(gòu)，如小孔、小凸臺以及倒角等，以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。將建立的模型以生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP）格式導(dǎo)入有限元軟件ANSYS，使用前處理模塊對模型劃分網(wǎng)格進(jìn)行離散化處理。由于熱力耦合是一個高度非線性問題，劃分網(wǎng)格時為節(jié)約計算時間和確保有限元計算的準(zhǔn)確度，需要合理控制網(wǎng)格密度。本文將整個有限元模型分為2 115個單元，劃分的模型如圖1所示。閘瓦的材料為石棉橡膠銅網(wǎng)版，制動輪材料為ZG1Cr13，摩擦副的材料特性如表1和表2所示。

圖1 制動器網(wǎng)格模型

表1 制動輪材料參數(shù)

表2 閘瓦材料參數(shù)

1.3 邊界條件

假設(shè)電梯制動過程做勻減速運動，取電梯的額定速度為2 m·s-1，對制動輪旋轉(zhuǎn)中心施加初始角速度。仿真過程中，設(shè)置環(huán)境溫度為30 ℃，旨在得到機(jī)房真實的溫度變化數(shù)據(jù)。此外，對閘瓦的外表面施加均勻分布的制動壓力[3]，且約束閘瓦外表面x方向的位移自由度。在建立制動器的三維模型后，設(shè)置閘瓦的材料屬性，并將閘瓦的表面設(shè)置為與周圍空氣自然對流，忽略熱輻射影響。

2 仿真結(jié)果分析

將建立的制動器有限元模型在ANSYS中進(jìn)行有限元仿真。經(jīng)計算分析，得到不同磨損程度閘瓦的整個熱力耦合的溫升變化特性和制動結(jié)束不同時刻的溫度分布規(guī)律[5]。不同制動時刻閘瓦的溫度場分布云圖，如圖2所示。

圖2 不同制動時刻無磨損閘瓦溫度分布云圖

由圖2可知，整個制動過程中，閘瓦的溫度先升高后下降。由于摩擦產(chǎn)生摩擦熱流，閘瓦的高溫總是出現(xiàn)在摩擦區(qū)域附近。閘瓦在制動中期1.60 s左右達(dá)到最高溫度267.12 ℃，在制動最后時刻溫度下降為187.49 ℃，且閘瓦的內(nèi)徑處溫升變化很小，這是因為內(nèi)徑處的溫升變化是由于摩擦熱流的熱傳導(dǎo)作用引起的[6]。因為閘瓦材料為樹脂材料，具有低導(dǎo)熱特性，難以快速傳遞溫升變化，所以閘瓦在徑向方向的溫升變化較大。在制動壓力和摩擦力的作用下，閘瓦摩擦區(qū)域的入口處摩擦熱流輸入也會多于閘瓦其他區(qū)域。這是因為入口處會受到更大的機(jī)械應(yīng)力，但閘瓦比制動輪的導(dǎo)熱性能差很多，且長期處于熱流流入和對流散熱的周期性變化狀態(tài)，因此閘瓦的出口處的溫度要高于入口處。最高溫度與摩擦輸入熱流和熱交換的條件有關(guān)，輸入熱流主要取決于摩擦系數(shù)和接觸壓力。熱交換的條件主要是與空氣的對流換熱和熱傳導(dǎo)作用有關(guān)。

為了研究分析閘瓦有無磨損工況下的溫升特性，選取完好閘瓦與上下邊角磨損閘瓦分別進(jìn)行仿真分析。在邊界條件及約束載荷一致的情況下，對閘瓦制動過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果表明，在電梯緊急制動時，有磨損閘瓦和無磨損的閘瓦最高溫度分別為267.12 ℃和263.54 ℃。這是因為有磨損閘瓦由于磨損不能與制動輪完全貼合，制動過程中摩擦生熱的能力相對來說較弱[7-8]。相同的摩擦接觸區(qū)域同完好閘瓦仿真結(jié)果相比，它在徑向上具有一定的溫度梯度。

圖3 閘瓦溫度分布云圖

3 結(jié)語

整個制動過程中，閘瓦的溫度先升高后下降，且閘瓦的高溫總是出現(xiàn)在摩擦區(qū)域附近。內(nèi)徑處的溫升變化由于摩擦熱流的熱傳導(dǎo)作用，導(dǎo)致閘瓦在徑向的溫度分布梯度較大。為探究電梯制動器溫升的主要影響因素，本文改變仿真中的閘瓦磨損度，在其他約束條件不變的情況下，分別對電梯緊急制動過程進(jìn)行模擬仿真，研究閘瓦溫度場的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，在電梯緊急制動時，有磨損閘瓦和無磨損閘瓦的最高溫度分別為267.12 ℃和263.54 ℃。