平臺絞車制動帶瞬態溫度場分析

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(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

平臺絞車是平臺上的主要拖拽設備，當其拖拽其他設備運動時，制動主要為平臺絞車提供反力，故制動性能直接決定平臺絞車的拖拽能力。帶式制動主要依靠制動帶與滾筒側板間的摩擦使其靜止。在此制動過程中，雖然滾筒的速度很慢，但由于滾筒和鋼絲繩的重量很大，致使在制動期間，會在制動時間內產生大量的熱量，這些熱量迅速的由制動帶和滾筒側板吸收，導致制動帶溫度迅速上升[1-6]。因此，必須考慮制動帶在制動過程中溫度的變化規律[7]。考慮采用ANSYS經典模塊分析軟件，分析帶式制動在制動過程中的摩擦片瞬態溫度場。

1 帶式制動過程

如圖1所示， 制動帶在滾筒側板上方，當需要對滾筒靜制動時，外力將制動帶緊緊壓在滾筒側板上，通過制動帶與滾筒側板之間的摩擦，使得滾筒制動。

圖1 制動帶制動結構示意

滾筒的動能轉化成熱能被制動帶和滾筒側板吸收。

假設在制動時間內，滾筒速度均勻減小，則在Δt時間內減小的動能ΔJ為

(1)

對式(1)兩邊對t積分,得到摩擦產生的機械能為

(2)

式中：v為滾筒的線速度；m為質量；t0為制動時間。

2 分析邊界條件確定

2.1 熱流密度計算

制動過程意味著滾筒的機械能轉化成熱能被滾筒和制動帶所吸收，此熱能以熱流密度的形式從制動與滾筒側板接觸表面流入制動帶和滾筒中，熱流密度為

(3)

2.2 分配系數的確定

制動帶和滾筒摩擦纏繩的熱量以熱流密度的形式傳入滾筒側板和制動帶中，其分配系數[8]為

(4)

式中：qm和qg分別為流入制動帶和滾筒側板的熱流密度。

滾筒側板和制動帶的材料屬性見表1。

2.3 仿真參數確定

選用絞車結構，滾筒質量為8 000 kg，滾筒制動前速度為15 m/s,制動時間為10 s，則流入制動帶的熱流密度qm=41 400t-1 380t2。

表1 材料屬性

加載步驟如下。

1)在制動帶內表面加載熱流。

2)在制動帶的端面和外表面加載與空氣的對流。

3 制動帶瞬態溫度場分析

在ANSYS經典模塊下，按照上述加載模式，得到制動帶幾個瞬態的溫度云圖見圖2。制動帶最高溫度隨時間變化見圖3。

圖2 不同時刻制動帶溫度云圖

圖3 制動帶最高溫度隨時間的變化

由圖3可見，隨著時間的變化制動帶在滾筒靜止過程中，總體上溫度呈上升趨勢，主要是因為在制動帶與滾筒側板在進行摩擦制動過程中，將動能轉化成熱能被制動帶所吸收。隨著制動時間的推移制動帶的溫度上升趨勢逐漸減小，主要是因為在制動過程中，在單位時間內動能轉化為熱能的能量逐漸減小 ，并且制動帶的端面和外表面一直在散熱，也是造車制動帶溫度增加趨勢減小的原因之一。但在整個制動過程中，制動帶的溫度始終是在不斷增加的，可以看出，在制動過程中，由于制動時間很短，滾筒動能很大，導致在制動過程中，產生大量的熱量，而這些熱量僅靠制動帶端面和外表面散熱是很微弱的，制動帶的溫度只能在制動過程結束后，慢慢散熱。

制動帶上溫度沿不同徑向變化見圖4。

圖4 制動帶上溫度沿徑向的變化

由圖4可見，沿徑向制動帶溫度逐漸減小，是由于制動帶與滾筒側板纏繩的熱量是由內向外逐漸傳遞的，并且由于制動帶外圓與空氣接觸存在對流散熱；且隨著半徑的增加，減小趨勢逐漸減小，可以看出，由于制動時間較短，摩擦產生的大量熱量只能由制動帶與滾筒側板接觸的表面所吸收，造成表面局部區域溫度驟然上升，長此會使表面制動帶與滾筒側板間的摩擦系數減小，最終影響整個剎車帶的使用壽命。

通過對比圖4中制動帶中間位置溫度和制動帶端面位置溫度的差異，可以看出，在每一個徑向位置，制動帶中間位置的溫度略高于制動帶端面位置的溫度，是因為制動帶端面與空氣之間存在對流散熱造成的。而中間位置的溫度較端面位置的溫度最高相差0.5°，說明制動帶端面與空氣之間的散熱效果很差，在整個制動過程中，基本無任何作用。

不同位置軸向溫度對比見圖5。

圖5 不同位置軸向溫度對比

由圖5可見，3個制動帶軸向位置的溫度變化都是隨著軸向距離的增加先增大而后基本保持不變。總體來說，軸向溫度基本保持不變的，只在2個端面位置，由于制動外端面與空氣有一定散熱的影響，使得制動帶2個端面處軸向溫度稍微低于中間軸向位置溫度。3個位置的溫度從內向外逐漸減小，再次證明溫度是由內向外逐漸減小的。

4 結論

分析特定工況下平臺絞車制動過程中制動帶瞬態溫度場表明，在平臺絞車制動工況下，制動帶的溫度是一直上升的。

對比制動帶不同位置的溫度場分布規律，得到與滾筒側板接觸區域溫度最高，遠離接觸區域的溫度明顯較低；制動帶兩端的溫度較中間溫度較低。

建議在設計平臺絞車制動帶時，考慮盡量在絞車滾筒低速時對其進行制動，并在滿足設計要求的前提下，適當增加散熱區域。