礦用無軌運(yùn)輸車濕式多盤軸制動(dòng)器研究

高雪軍

（山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦，山西 方山 033300）

引言

在眾多不同類型的制動(dòng)系統(tǒng)中，多盤油冷式制動(dòng)器在全球范圍內(nèi)流行。能夠預(yù)測(cè)這種材料的熱行為是很重要的，需要系統(tǒng)具有精確性，盡管在這一領(lǐng)域進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的研究，多盤制動(dòng)器/離合器的微觀建模以及宏觀流體力學(xué)模擬在齒輪系統(tǒng)和齒輪箱實(shí)心殼體中，兩者的相互作用在很大程度上由于巨大的分離而未成為研究的子課題，兩種現(xiàn)象之間存在長度和時(shí)間尺度。

1 模型公式

如圖1 所示的制動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)齒輪組成，它們?cè)跐櫥啾P式制動(dòng)器的油中進(jìn)行傳動(dòng)。

圖1 制動(dòng)器接合過程中摩擦片和隔板之間的間隙

1.1 制動(dòng)方案

制動(dòng)方案包括許多連續(xù)和重復(fù)的制動(dòng)循環(huán)，N；左側(cè)剎車中每個(gè)循環(huán)包括一個(gè)制動(dòng)周期，冷卻一段時(shí)間，再制動(dòng)右側(cè)剎車盤，然后是冷卻期。左側(cè)制動(dòng)器在任何給定的制動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，右側(cè)制動(dòng)器從未參與運(yùn)動(dòng)。本節(jié)采用高能方案和疲勞方案。圖2 顯示了兩種方案的相關(guān)參數(shù)，其中PRM為設(shè)備每分鐘旋轉(zhuǎn)次數(shù)。

圖2 兩種方案的相關(guān)參數(shù)

1.2 傳熱控制方程

不可壓縮流體的連續(xù)性和動(dòng)量方程[1]用以下公式表示。

式中：uf（x，t）為兩相流體中的速度矢量；p 為流體的靜水壓力。VOF 配方用于求解內(nèi)部油相和氣相的體積分?jǐn)?shù)，使用以下公式計(jì)算流體[2]：

式中：χ 為體積分?jǐn)?shù)，χk=0 表示純氣體，χk=1 表示系統(tǒng)中的純油?；旌衔锏牧黧w性質(zhì)根據(jù)各相的含量進(jìn)行加權(quán)，例如ρ=∑kρkχk?？梢詾檎麄€(gè)區(qū)域編寫能量方程，以便控制流體和固體內(nèi)部的溫度分布組件[3]：

式中：T（x，t）為溫度場；α 和ρcp分別為溫度場熱擴(kuò)散率和熱質(zhì)量。采用油氣混合物塊狀傳熱模型，假設(shè)在整個(gè)流體域中溫度均勻，消除了所有流體溫度的空間導(dǎo)數(shù)與時(shí)間演化可使用以下公式更新流體溫度的數(shù)值：

式中：V 為混合物的總體積；ρcp為混合物的熱質(zhì)量；Qnet為添加到容器中的總熱量，流體區(qū)域是通過組合熱產(chǎn)生的，通過齒輪的寄生損耗以及摩擦副的對(duì)流熱傳遞以及熱傳遞到固體。

控制流體運(yùn)動(dòng)和能量守恒流體域，整個(gè)固體的能量用以下公式表示[4-5]：

2 實(shí)驗(yàn)裝置

用于實(shí)驗(yàn)研究的試驗(yàn)臺(tái)如圖2 所示。車軸安裝在試驗(yàn)臺(tái)和一層隔熱層上，絕緣層用于防止軸和軸之間的任何傳導(dǎo)。輪軸的小齒輪軸連接到驅(qū)動(dòng)裝置帶內(nèi)聯(lián)扭矩計(jì)的軸。扭矩計(jì)持續(xù)工作監(jiān)控電源輸入，以確保所需的功率在制動(dòng)循環(huán)期間向小齒輪軸供電。共有6個(gè)熱電耦放置在預(yù)鉆孔處的外殼中。在開始測(cè)試之前，允許車橋殼體在室溫下閑置超過16 h，以確保其沒有任何殘留上一次測(cè)試運(yùn)行留下的熱量。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試裝置

3 結(jié)果和討論

3.1 流體流動(dòng)

在模擬開始時(shí)，殼體中充有一半的油，一旦小齒輪軸開始旋轉(zhuǎn)，殼體中的油就會(huì)開始旋轉(zhuǎn)，殼體變得不穩(wěn)定。這就產(chǎn)生了一種高度湍流，以更高的速度混合具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。由于重力的影響潤滑油在外殼的下半部分，上半部分接受飛濺潤滑，在較低的轉(zhuǎn)速下，油的攪拌速度較低，而較高的齒輪轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致更頻繁地?cái)噭?dòng)機(jī)油形成更好的潤濕性外殼。在較高的小齒輪轉(zhuǎn)速下，組合的流體速度和湍流導(dǎo)致更好的對(duì)流熱轉(zhuǎn)移發(fā)動(dòng)機(jī)左右部分之間的機(jī)油分配住房情況相當(dāng)均衡，52%在左邊，48%在右邊。圖3 顯示了表面上的平均對(duì)流換熱系數(shù)。

圖3 在900 rpm 和4 000 rpm 的平均熱傳導(dǎo)系數(shù)

3.2 油中的傳熱

機(jī)油充當(dāng)介質(zhì)，將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞到實(shí)心殼體上。在每個(gè)制動(dòng)循環(huán)中，它會(huì)排出制動(dòng)盤的熱量并將其轉(zhuǎn)移到相對(duì)較冷的實(shí)心壁上。接觸階段有大量的熱量添加到油中，導(dǎo)致溫度的迅速上升。在脫離接觸期間隨著時(shí)間和壓力的增加，外殼能夠以一定的速率吸收熱量，這導(dǎo)致了油溫下降。但是，油溫從一個(gè)循環(huán)持續(xù)升高到另一個(gè)循環(huán)，通過重復(fù)制動(dòng)循環(huán)增加大部分能量。CFD 模型預(yù)測(cè)的油溫與描述的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致如圖4 所示。

圖4 模擬與測(cè)量無量綱散裝油溫的比較

3.3 制動(dòng)盤中的熱傳遞

3.3.1 脫離接觸期

當(dāng)處于分離位置時(shí)，不會(huì)增加摩擦熱在制動(dòng)盤之間和周圍流動(dòng)的油，通過對(duì)流傳熱促進(jìn)冷卻。對(duì)流傳熱率取決于摩擦副的旋轉(zhuǎn)速度、間隙大小、板表面之間的溫差以及摩擦副的熱性能。具有持續(xù)供油，間隙中的油液溫度保持不變低于制動(dòng)盤表面溫度，允許加熱從制動(dòng)盤流向機(jī)油（見下頁圖5）。

圖5 進(jìn)入油中的熱傳遞速率

3.3.2 接觸期

產(chǎn)生的摩擦熱傳遞到在制動(dòng)盤的接觸面的三個(gè)隔板上。第一部分是導(dǎo)輪進(jìn)入隔板，第二部分為傳導(dǎo)進(jìn)入摩擦片，第三部分是油流在盤子之間。分割比率隨著時(shí)間的變化而變化分離板界面、摩擦板界面處的溫度梯度和散裝油溫度。圖6 顯示了循環(huán)期間該熱分解的瞬態(tài)模式。在制動(dòng)操作期間，隔板處的溫度梯度由于鋼和摩擦墊材料的熱性能不同，摩擦片的變化也不同。由于其導(dǎo)熱性差摩擦片界面處的溫度梯度迅速增大，而隔板界面處的導(dǎo)熱系數(shù)較高溫度梯度相對(duì)較低。因此，分離器板接收觸點(diǎn)中產(chǎn)生的大部分熱量區(qū)隨著熱量添加到制動(dòng)盤，接觸界面溫度升高，以保持熱流方向進(jìn)入固體和油中。隨著接觸界面處溫度的升高，進(jìn)入隔板的傳熱率份額增加減少的原因有兩個(gè)：第一，摩擦片界面處的溫度梯度的增加速度快于分離器隨著接觸界面溫度的升高。這導(dǎo)致進(jìn)入摩擦片的熱傳遞速率逐漸增加。其次，油和制動(dòng)器之間的溫差不斷增加，從而減少進(jìn)入實(shí)心制動(dòng)盤的總摩擦熱（見圖7）。

圖6 熱傳遞到制動(dòng)片

圖7 隔板、摩擦片和油之間的熱量分解百分比

4 結(jié)語

仿真重復(fù)載荷作用下多盤軸制動(dòng)系統(tǒng)的熱流體力學(xué)制動(dòng)循環(huán)和高負(fù)載。將流體運(yùn)動(dòng)外殼內(nèi)部和固體部件中的熱傳遞分開。攪拌均勻的流體采用集總熱模型溫度的空間變化可以忽略不計(jì)的區(qū)域。即使雖然假定流體溫度在空間上是均勻的，在固體域中存在溫度的空間分布。建立了固體域和流體域之間的連接邊界條件，計(jì)算制動(dòng)盤所需的傳熱系數(shù)使用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，而對(duì)于其他固體，直接源自三維CFD 模擬。該方法已成功地通過一個(gè)濕軸制動(dòng)系統(tǒng)的全瞬態(tài)試驗(yàn)研究進(jìn)行了驗(yàn)證。在磨損的情況下，在每個(gè)制動(dòng)循環(huán)中轉(zhuǎn)速較慢，制動(dòng)功率輸入較小，制動(dòng)器接合時(shí)間較長。在高能情況下，摩擦熱被添加到系統(tǒng)中，在較短的時(shí)間內(nèi)以較高的功率運(yùn)行。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。