提升機摩擦熱分析及溫度場研究

石國慶

【摘 要】本課題結(jié)合煤礦副井摩擦式提升機現(xiàn)場實際生產(chǎn)情況，利用提升機安全性能檢測儀對其運行時的各項性能參數(shù)進行測試，經(jīng)過測試得到的有關(guān)數(shù)據(jù)對其進行安全性能與摩擦熱方面的研究，探究實際運行工況下摩擦襯墊溫度場變化規(guī)律。利用ANSYS軟件中的熱分析模塊分析摩擦襯墊溫度場，得出了不同提升速度、載荷下的溫度場變化規(guī)律，實現(xiàn)了對襯墊在不同提升工況下溫度的預(yù)測；開展實際生產(chǎn)工況下滑動摩擦試驗，驗證了理論模型的正確性；本文為襯墊的設(shè)計和礦井提升機安全可靠運行提供了參考。

【關(guān)鍵詞】摩擦襯墊；溫度場；有限元；數(shù)值模擬

1 課題研究背景及意義

近兩年對提升機摩擦熱的研究論文不是很多，對摩擦熱分析研究主要集中閘輪和閘瓦、汽車剎車等汽車領(lǐng)域，而未來煤炭在能源中基礎(chǔ)地位不會改變，仍然有必要對提升機摩擦熱方面開展研究。由于生產(chǎn)條件的限制，當(dāng)前對提升機鋼絲繩和襯墊間的摩擦熱分析主要還是在實驗室中進行，而對大型重載情況下的現(xiàn)場研究不是很多，本文則是基于現(xiàn)場實際生產(chǎn)，利用提升機檢修更換襯墊期間，開展實驗研究，探尋現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件下提升機摩擦熱及溫度場的分布規(guī)律。

2 研究的主要問題

（1）進行實際提升工況下的滑動摩擦試驗，驗證理論模型的正確性；

（2）利用ANSYS有限元分析軟件中的熱分析模塊，分析不同提升速度和載荷下的襯墊溫度場變化規(guī)律。

3 摩擦實驗

3.1 實驗簡介

在提升機檢修更換襯墊時開展了此實驗，用要更換的舊襯墊做提升機防滑試驗，這樣即使溫升對摩擦襯墊有損壞，也不影響生產(chǎn)。為了做提升機鋼絲繩與襯墊間滑動摩擦試驗，首先需確定加多少載荷時才能滑動，為此需進行防滑驗算。已知所研究提升機正常提升時滾筒兩側(cè)的張力：重載側(cè)張力：T1j= 138457N； 輕載側(cè)張：T2j=99192N；此時靜防滑和動防滑驗算都合格。當(dāng)施加到鋼絲繩重載側(cè)的張力為158000N，鋼絲繩的靜防滑和動防滑驗算都不合格，即可做鋼絲繩滑動試驗。已知正常提升時實際載荷為35316N，不滿足防滑驗算時實際載重：Q=158000-138457+35316=54859N， 后面若要增加載重，應(yīng)保證鋼絲繩安全系數(shù)在允許范圍之內(nèi)，提物安全系數(shù)要大于7.97，已知繩子破斷拉力總和為1553280N，則最大允許 T1j=1553280/7.97=194863N，所以第二次可施加超載重量64859N。為探求摩擦襯墊溫度場的變化情況，本文分別做了不同提升工況下的摩擦實驗，通過測量不同工況下摩擦力、溫度等參數(shù)，以期獲得摩擦溫度場；為此利用兩臺提升機安全性能測試儀分別測鋼絲繩和滾筒的運動速度，它們之間的差值即為滑動速度；利用兩臺紅外測溫儀，分別在提升機兩側(cè)記錄襯墊不同工況下溫度變化。

3.2 實驗結(jié)果

表1 不同提升工況下實驗結(jié)果

4 摩擦襯墊溫度場的有限元分析

4.1 有限元模型

摩擦襯墊有限元計算的前提條件，因為鋼絲繩不是均勻材質(zhì)，為了便于分析，對襯墊和鋼絲繩做了一些假設(shè)：襯墊和鋼絲繩都是均勻材質(zhì)，形狀不發(fā)生變化；襯墊沒有參與摩擦的接觸面認(rèn)為絕熱的；襯墊在摩擦區(qū)域內(nèi)受熱是均勻分布的?；谏厦娴募僭O(shè)，得到圖1簡化后的模型。

4.2 襯墊模型網(wǎng)格的劃分

把研究對象劃分成有限個單元，在徑向和周向分別劃分為18和120等分，共得到2299個節(jié)點。我們將其看成一維空心圓柱體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，由于其對稱的形狀，所以只分析其一橫截面即可。

4.3 摩擦襯墊材料的尺寸和物理參數(shù)

（1）襯墊尺寸：內(nèi)徑11mm，外徑77mm。

（2）物性參數(shù)：新型襯墊GM-3，密度ρ為1360kg/m3，比熱容cp為1842.2J/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.145W/（m·℃）；動力參數(shù)：T2j為99192 N，滑動速度v分別為0.034mm/s， 0.073mm/s，0.102mm/s。

4.4 摩擦襯墊的邊界條件及熱流密度

摩擦襯墊的初始條件和邊界條件為：初始時間τ=0，初始環(huán)境溫度t0=19℃；初始邊界條件為：ab、bc和cd邊都為絕熱條件，在 ad 邊上施加熱流；施加到ad邊上熱流密度計算公式[1]：

q0=0.05T2j（exp（μα0）-1）v/（πr0Rα0）

滾筒與鋼絲繩間的圍包角為180度，摩擦系數(shù)μ取0.22，兩者之間的摩擦熱有5%分配到了襯墊上，自然對數(shù)e=2.7182，分別計算出不同測試條件下的襯墊熱流密度為：q1為418.11J/（m^2.s）；q2為897.71J/（m^2.s）；q3為1254.34J/（m^2.s）；這些數(shù)據(jù)將在溫度場的求解中用到。

4.5 不同條件下溫度場的求解方案

在此設(shè)計了兩種提升速度，分別是7.932m/s、3.000m/s，分別表示提升速度在高速、中速下的溫度場求解方案；還設(shè)計了54859N和64859N兩種載荷下的溫度場求解方案。本文討論的襯墊模型x方向代表是滾筒軸向，y方向代表的是滾筒徑向。

4.6 常規(guī)后處理和時間后處理結(jié)果

由ANSYS有限元分析軟件模擬結(jié)果可以看出在不同的速度條件下溫度場的情況，可以看到在3.00m/s的時候，最高溫度為25.21度，在7.932mm/s情況下，最高溫度達到32.33度， 從而可以推測出隨著提升速度的增加，摩擦襯墊溫度的也隨之升高。在相同的速度、不同的載荷條件下溫度場的變化情況，可以看到在54859N的時候，最高溫度為32.33度，在64859N情況下，最高溫度達到37.63度， 從而可以推測出隨著提升載荷的增加，摩擦襯墊溫度也隨之升高。而不同提升工況溫度場分布情況卻沒多大變化，摩擦襯墊溫升波動主要集中在襯墊表層，最低層則沒有什么波動。通過ANSYS有限元分析軟件模擬結(jié)果還可以看出每一個節(jié)點處的溫度隨時間的推移，溫度逐漸升高，襯墊薄出的節(jié)點曲線斜率大，溫升變化大，襯墊厚處的節(jié)點曲線斜率小，溫升變化不明顯。在前面時間內(nèi)襯墊厚度薄處的曲線斜率比較大，所以它的溫升和熱流梯度也比較大，處在于非穩(wěn)定階段，隨著時間往后發(fā)展，熱流梯度和溫升曲線逐漸平緩。ANSYS軟件數(shù)值模擬部分結(jié)果如圖2至圖5所示。

4.7 數(shù)值模擬與實測溫度

5 結(jié)論

（1）由ANSYS有限元分析軟件模擬結(jié)果可以看出求解結(jié)束后某一時刻模型內(nèi)的溫度和熱流密度分布，隨摩擦襯墊半徑的增大，溫度逐漸也減小，其等溫線為一簇同心半圓；其熱流密度在摩擦襯墊模型內(nèi)中呈現(xiàn)出左右對稱的狀態(tài)，表現(xiàn)為輻射發(fā)散狀態(tài)逐漸減小。不同提升工況對溫度場的分布規(guī)律沒有影響。

（2）現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件下襯墊溫度場的分布規(guī)律：隨提升載荷、速度的增加，摩擦襯墊溫度也隨之升高；溫度在半徑方向的變化特征是中間溫度比兩邊大，在襯墊的外沿溫度幾乎不變；摩擦襯墊溫升波動主要集中在襯墊表層，因而在表層容易磨損；對實際工況下所測的襯墊溫度升高值與數(shù)字模擬出來溫度升高值進行比較，可知兩者吻合程度較好，從而驗證了理論模型的正確性。

【參考文獻】

[1]韓東太，杜雪平.礦井提升機摩擦熱分析及襯墊溫度場數(shù)值模擬[J].礦山機械，2007，36（12）：79-81.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]