單軌吊液壓制動系統的設計與仿真研究

陳繼濤　陳玉水

【摘 要】對單軌吊液壓制動系統進行了整體設計和參數計算，確定了液壓結構布置方式與制動參數，并基于COMSOL對制動器進行了瞬態溫度場分析，通過對單軌吊液壓制動系統的設計與仿真，保證了系統制動能力。

【關鍵詞】單軌吊；液壓制動；溫度場

目前，盤式制動在單軌吊制動系統中越來越廣泛，其在制動過程中的制動力矩較大，散熱效果理想，在運動方向上不會影響制動能力[1]。為了進一步保證和提升系統的制動安全性，文中對液壓制動系統進行了理論分析與數值模擬，這對于單軌吊工作的穩定性有著重要的意義。

1 液壓制動系統設計

1.1 總體設計

一般地，液壓制動系統根據流體回路的數量分為兩種：單回路與雙回路[2]。其中，單回路系統結構簡單，成本低廉，但是可靠性能存在不足，當系統出現漏油現象時，無法使用備用的制動系統，存在一定的安全隱患。因此，在很多設備的制動系統中，已經不允許單回路制動系統的設計，因此，文中對于單軌吊液壓制動系統，采用雙回路制動。

在雙回路制動系統中，制動力主要由液壓缸實現，制動主缸內的油液壓力直接決定了系統的最大制動力矩，文中在雙回路系統中，采用將主缸串聯的方式進行設計。在液壓制動過程中，當主制動回路出現漏油等故障時，備用液壓缸能夠正常工作，主制動液壓缸中的活塞桿的頂桿接觸到備用活塞時，備用液壓缸中的油壓將迅速升高，達到制動載荷。對于雙回路制動系統，在可靠性與安全性上具有較大的優勢，但是在一定程度上講增大制動行程，影響效率[3]。

1.2 參數計算

單軌道在進行制動時，液壓系統中的活塞能夠通過液壓動力推動摩擦片壓向制動盤，摩擦片與制動盤的摩擦產生制動力矩使單軌吊制動，其制動原理如圖1所示。

式中，f為制動盤與摩擦片摩擦系數，N為摩擦片對制動盤的單側壓力，R為作用半徑。選擇制動盤材料45Mn，摩擦片為粉末冶金材料。

2 制動仿真

文中通過多物理場耦合軟件COMSOL，對單軌吊制動盤進行長時間（100s）制動模擬[4]，其中，模型省略了法蘭結構中的螺孔，其制動力由參數計算獲取，為了得到初始制動壓力，假定摩擦系數不變，取在20℃的溫度下的摩擦系數0.25。最終得到瞬態溫度場云圖如圖3所示，提取制動器最高溫度變化如圖3所示。從仿真分析結果中可以看出，在制動初始狀態時，由于摩擦生熱作用，瞬時最高溫度在接觸區的切入端產生，并隨著熱傳導作用，高溫分布區域向制動盤的外徑方向延伸。在整個制動過程中，溫度場為非對稱分布，由于接觸區域之間的摩擦生熱速率要比制動盤材料內部的熱傳導的速率大，在制動停止之前，接觸位置處的溫度一直高于其他位置，通過溫度場的特性能夠推斷出制動盤的結構屬性。

為了研究摩擦副面積對于溫度場的影響[5]，文中將摩擦片夾角作為參變量進行對比分析，結果表明：當摩擦片與制動盤之間的接觸面積減小時，摩擦副產生的熱量減少，但是，由于摩擦片的表面積較小，其實際散熱面積減小，導致其極限溫度略有升高。對于單軌吊制動系統而言，制動結構的緊湊型對于整個系統的安裝、維護更加重要，因此，在保證制動溫度可靠的前提下，可以通過減小摩擦片夾角進行制動器的結構優化。

3 結語

單軌吊的液壓制動系統對于單軌吊的安全性和可靠性均有著重要的意義，文中針對液壓制動的特點，選取雙回路制動，通過參數計算推導出保證系統正常工作下制動力矩，最后基于COMSOL的瞬態溫度場分析，得出了制動器的溫度分布特性。

【參考文獻】

[1]蔣京，夏群生，等.盤式制動器重復制動溫度計算[J].汽車工程，1996，18（3）：168-174.

[2]羅勇，寇子明.單軌吊液壓系統建模與仿真[J].機械管理開發，2004（9）.

[3]王開松，王修宏.在綜采工作面順槽采用單軌吊[J].煤礦機電，2004（3）.

[4]吳婧斯，萬里翔，張新. 緊急制動工況下汽車盤式制動器溫度場和熱應力場仿真分析[J]. 北京汽車，2010，06：30-33.

[5]趙海燕，張海泉，湯曉華，林健，蔡志鵬. 快速列車盤型制動熱過程有限元分析[J]. 清華大學學報：自然科學版，2005，05：589-592.

[責任編輯：曹明明]