軌道運(yùn)載車(chē)鼓式制動(dòng)器熱力耦合分析

魏 娟，閆 豪，陸 盼，孫 健

（西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

井下軌道運(yùn)載車(chē)鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的熱-機(jī)耦合過(guò)程，摩擦力的作用會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，且分布不均，從而使制動(dòng)器產(chǎn)生熱變形，影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化又反過(guò)來(lái)影響溫度的分布。因此，要準(zhǔn)確全面地分析制動(dòng)過(guò)程中鼓式制動(dòng)器的性能和狀態(tài)，就需要同時(shí)考慮溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的相互作用，分析在熱力耦合作用下制動(dòng)器的溫度和應(yīng)力分布情況。為此選用ABAQUS對(duì)運(yùn)載車(chē)鼓式制動(dòng)器進(jìn)行熱力耦合仿真。分析重要零件在制動(dòng)結(jié)束時(shí)的溫度分布云圖和應(yīng)力分布云圖，得出高溫分布區(qū)域和應(yīng)力集中區(qū)域。

1 鼓式制動(dòng)器三維建模

制動(dòng)器主要由制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、摩擦片和S形凸輪組成。制動(dòng)時(shí)，S形凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)滾輪對(duì)制動(dòng)蹄施加促動(dòng)力，推動(dòng)制動(dòng)蹄張開(kāi)與摩擦片接觸摩擦，產(chǎn)生制動(dòng)力矩。制動(dòng)器受力分析和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1，參數(shù)如下：①制動(dòng)鼓內(nèi)徑D：300 mm；②制動(dòng)鼓厚度：13 mm；③摩擦片寬度k：90 mm；④摩擦片包角θ：100°；⑤凸輪基圓直徑：26 mm；⑥滾輪直徑：50 mm。

圖1 制動(dòng)器受力分析和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 熱力耦合仿真邊界條件

進(jìn)行有限元熱分析時(shí)，需要考慮傳熱的3種基本方式，即熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射[1-3]。

車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器由于摩擦生成的熱能Qz為[4]：

式中：m為車(chē)輛總質(zhì)量，kg；v0為制動(dòng)初速度，m/s；vt為制動(dòng)末速度，m/s；i為道路坡度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；g 為重力加速度，9.8 m/s2；S 為制動(dòng)距離，m；s為輪胎滑移率，取10%。

由式（1）得熱流密度q：

式中：a為制動(dòng)減速度；v為車(chē)輛瞬時(shí)速度；A為制動(dòng)器摩擦副的接觸面積。

對(duì)流換熱系數(shù)h：

式中：V為制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的瞬時(shí)速度，km/h；δ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取 0.6。

制動(dòng)鼓輻射換熱量Qh：

式中：ε為黑體系數(shù)，其值取0.55；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10－8W/（m2·K4）；tg為制動(dòng)鼓溫度，℃；tw為環(huán)境溫度，℃。

3 模型的建立及材料的選取

在ABAQUS中，采用的單元類(lèi)型是C3D8R和C3D4，模型中共有節(jié)點(diǎn)數(shù)148 662，單元數(shù)253 225。制動(dòng)鼓材料為灰鑄鐵（HT250），制動(dòng)蹄為球墨鑄鐵（QT450），摩擦片采用無(wú)石棉類(lèi)墊片。制動(dòng)鼓的材料屬性參數(shù)見(jiàn)表1，制動(dòng)蹄的材料屬性參數(shù)表2，摩擦片的材料屬性參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 制動(dòng)鼓的材料屬性參數(shù)

4 邊界條件及載荷確定

為了模擬真實(shí)的制動(dòng)情況，在制動(dòng)鼓法蘭面軸向上（z軸）建立一單元mass5，并在單元mass5和制動(dòng)鼓法蘭盤(pán)端面建立剛性連接。在mass5上施加繞z軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=83.205 kg·m2保留繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，約束其余5個(gè)自由度，初始角速度設(shè)定為 ω=18.6 rad/s。

表2 制動(dòng)蹄的材料屬性參數(shù)

表3 摩擦片的材料屬性參數(shù)

在制動(dòng)蹄的滾輪中心和支承銷(xiāo)中心分別建立節(jié)點(diǎn)，約束除繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的其余5個(gè)自由度[5]，使制動(dòng)蹄在制動(dòng)過(guò)程中繞支撐銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)。在領(lǐng)蹄滾輪中心施加促動(dòng)力F1=1 500 N，從蹄滾輪中心施加促動(dòng)力F2=3 570 N。

由式（3）計(jì)算可知，制動(dòng)鼓外表面的對(duì)流換熱系數(shù)h=48.15輻射換熱系數(shù)0.53，制動(dòng)鼓內(nèi)表面和摩擦片外表面的熱流分配系數(shù)0.124，制動(dòng)鼓初始溫度和空氣溫度均為25℃。

仿真中的接觸設(shè)置：根據(jù)接觸面和目標(biāo)面的設(shè)置原則[6]，對(duì)于制動(dòng)鼓和摩擦片間的接觸，將制動(dòng)鼓內(nèi)表面設(shè)為目標(biāo)面，摩擦片的外表面設(shè)為接觸面，并且為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.3。對(duì)于制動(dòng)蹄和摩擦片的接觸，將摩擦片內(nèi)表面設(shè)為目標(biāo)面，制動(dòng)蹄外表面設(shè)為接觸面，并且為綁定接觸[7]。

5 鼓式制動(dòng)器的熱力耦合分析

5.1 鼓式制動(dòng)器的熱分析

鼓式制動(dòng)器熱分析圖如圖2，制動(dòng)器制動(dòng)結(jié)束時(shí)制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、摩擦片的溫度分布云圖如圖3～圖5。

圖2 鼓式制動(dòng)器熱分析圖

圖3 制動(dòng)鼓的溫度分布云圖

圖4 制動(dòng)蹄的溫度分布云圖

圖5 摩擦片的溫度分布云圖

由分析結(jié)果可知，在制動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，鼓式制動(dòng)器的最高溫度為103.9℃。制動(dòng)鼓摩擦生熱的高溫區(qū)域主要集中在制動(dòng)鼓和摩擦片接觸的部分。制動(dòng)鼓在周向和軸向方向上，溫度分布向兩邊是逐漸減小的且溫度梯度較大，這樣可能會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力集中會(huì)出現(xiàn)軸向和周向裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致熱失效。

制動(dòng)蹄的高溫區(qū)域主要分布在制動(dòng)蹄和摩擦片接觸區(qū)域，最高溫度為92.8℃。摩擦片工作面的高溫區(qū)域分布與制動(dòng)鼓工作面的高溫區(qū)域分布類(lèi)似。

5.2 熱應(yīng)力耦合分析

以熱分析結(jié)果為輸入條件，設(shè)置制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，鼓式制動(dòng)器的熱應(yīng)力耦合分布圖如圖6，制動(dòng)鼓的熱應(yīng)力分布圖如圖7，制動(dòng)蹄的熱應(yīng)力分布圖如圖8，摩擦片的熱應(yīng)力分布圖如圖9。

圖6 鼓式制動(dòng)器的熱應(yīng)力耦合分布圖

圖7 制動(dòng)鼓的熱應(yīng)力分布圖

圖8 制動(dòng)蹄的熱應(yīng)力分布圖

圖9 摩擦片的熱應(yīng)力分布圖

制動(dòng)蹄的支撐銷(xiāo)位置和施加促動(dòng)力的滾輪處，等效應(yīng)力較大，最大應(yīng)力在支撐銷(xiāo)位置為289.8 MPa,基本是對(duì)稱(chēng)分布的。

制動(dòng)鼓法蘭盤(pán)處的等效應(yīng)力較大，最大等效應(yīng)力是37.5 MPa。制動(dòng)鼓和制動(dòng)蹄接觸區(qū)域的應(yīng)力大于其他部位的等效應(yīng)力，且在制動(dòng)鼓和摩擦片的接觸區(qū)域，應(yīng)力分布是不均勻的。這是由于溫度分布不均，溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合作用使應(yīng)力分布也不均勻。

摩擦片采用的材料是無(wú)石棉非金屬材料，材料性能不受溫度變化的影響，因此熱應(yīng)力較小[8]。

6 不同材料對(duì)制動(dòng)鼓溫度的影響

制動(dòng)鼓材料材料的恰當(dāng)選取會(huì)減少制動(dòng)鼓溫度梯度及應(yīng)力集中，避免制動(dòng)鼓斷裂、局部失效等現(xiàn)象[9-10]。以下分析3種不同的材料下，制動(dòng)鼓溫度變化特性。制動(dòng)鼓的材料參數(shù)見(jiàn)表4。針對(duì)表4中3種不同的情況進(jìn)行分析，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，制動(dòng)鼓的溫度分布圖如圖10。

表4 制動(dòng)鼓的材料參數(shù)

圖10 3種材料下的制動(dòng)鼓溫度分布圖

由圖10（a）和圖10（b）對(duì)比分析可知，增大導(dǎo)熱率，制動(dòng)鼓溫度會(huì)隨之降低。由圖10（b）和圖10（c）對(duì)比分析可知，增大比熱容參數(shù)，溫度也會(huì)隨之降低。由圖10（a）和圖10（c）對(duì)比分析可知，在比熱容和導(dǎo)熱率都增大的情況下，溫度總體降低了3℃。

7 結(jié)語(yǔ)

1）高溫區(qū)域主要集中在制動(dòng)鼓和摩擦片接觸區(qū)域，最高溫度為103.9℃。國(guó)外相關(guān)研究表明當(dāng)制動(dòng)鼓溫度不高于200℃時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱衰退現(xiàn)象。在制動(dòng)鼓周向和軸向方向上，溫度分布向兩邊是逐漸減小的且溫度梯度較大，這樣可能會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力集中會(huì)出現(xiàn)軸向和周向裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致熱失效。

2）制動(dòng)蹄的支撐銷(xiāo)位置和施加促動(dòng)力的滾輪處等效應(yīng)力較大，最大應(yīng)力在支撐銷(xiāo)位置為289.8 MPa,在以后的結(jié)構(gòu)改進(jìn)中可增大過(guò)渡圓角，避免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中。

3）增大導(dǎo)熱率和比熱容參數(shù)都會(huì)使制動(dòng)鼓溫度降低，在材料選取時(shí)應(yīng)綜合考慮。