石國(guó)慶

【摘 要】本課題結(jié)合煤礦副井摩擦式提升機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，利用提升機(jī)安全性能檢測(cè)儀對(duì)其運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過測(cè)試得到的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行安全性能與摩擦熱方面的研究，探究實(shí)際運(yùn)行工況下摩擦襯墊溫度場(chǎng)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(chǎng)，得出了不同提升速度、載荷下的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)襯墊在不同提升工況下溫度的預(yù)測(cè)；開展實(shí)際生產(chǎn)工況下滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論模型的正確性；本文為襯墊的設(shè)計(jì)和礦井提升機(jī)安全可靠運(yùn)行提供了參考。

【關(guān)鍵詞】摩擦襯墊；溫度場(chǎng)；有限元；數(shù)值模擬

1 課題研究背景及意義

近兩年對(duì)提升機(jī)摩擦熱的研究論文不是很多，對(duì)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(huì)改變，仍然有必要對(duì)提升機(jī)摩擦熱方面開展研究。由于生產(chǎn)條件的限制，當(dāng)前對(duì)提升機(jī)鋼絲繩和襯墊間的摩擦熱分析主要還是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而對(duì)大型重載情況下的現(xiàn)場(chǎng)研究不是很多，本文則是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，利用提升機(jī)檢修更換襯墊期間，開展實(shí)驗(yàn)研究，探尋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件下提升機(jī)摩擦熱及溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

2 研究的主要問題

（1）進(jìn)行實(shí)際提升工況下的滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，驗(yàn)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(chǎng)變化規(guī)律。

3 摩擦實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

在提升機(jī)檢修更換襯墊時(shí)開展了此實(shí)驗(yàn)，用要更換的舊襯墊做提升機(jī)防滑試驗(yàn)，這樣即使溫升對(duì)摩擦襯墊有損壞，也不影響生產(chǎn)。為了做提升機(jī)鋼絲繩與襯墊間滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，首先需確定加多少載荷時(shí)才能滑動(dòng)，為此需進(jìn)行防滑驗(yàn)算。已知所研究提升機(jī)正常提升時(shí)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(shí)靜防滑和動(dòng)防滑驗(yàn)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(dòng)防滑驗(yàn)算都不合格，即可做鋼絲繩滑動(dòng)試驗(yàn)。已知正常提升時(shí)實(shí)際載荷為35316N，不滿足防滑驗(yàn)算時(shí)實(shí)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(chǎng)的變化情況，本文分別做了不同提升工況下的摩擦實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)量不同工況下摩擦力、溫度等參數(shù)，以期獲得摩擦溫度場(chǎng)；為此利用兩臺(tái)提升機(jī)安全性能測(cè)試儀分別測(cè)鋼絲繩和滾筒的運(yùn)動(dòng)速度，它們之間的差值即為滑動(dòng)速度；利用兩臺(tái)紅外測(cè)溫儀，分別在提升機(jī)兩側(cè)記錄襯墊不同工況下溫度變化。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 不同提升工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 摩擦襯墊溫度場(chǎng)的有限元分析

4.1 有限元模型

摩擦襯墊有限元計(jì)算的前提條件，因?yàn)殇摻z繩不是均勻材質(zhì)，為了便于分析，對(duì)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(jiǎn)化后的模型。

4.2 襯墊模型網(wǎng)格的劃分

把研究對(duì)象劃分成有限個(gè)單元，在徑向和周向分別劃分為18和120等分，共得到2299個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(duì)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(dòng)力參數(shù)：T2j為99192 N，滑動(dòng)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(shí)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(jì)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(duì)數(shù)e=2.7182，分別計(jì)算出不同測(cè)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(chǎng)的求解中用到。

4.5 不同條件下溫度場(chǎng)的求解方案

在此設(shè)計(jì)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(chǎng)求解方案；還設(shè)計(jì)了54859N和64859N兩種載荷下的溫度場(chǎng)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(shí)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(chǎng)的情況，可以看到在3.00m/s的時(shí)候，最高溫度為25.21度，在7.932mm/s情況下，最高溫度達(dá)到32.33度， 從而可以推測(cè)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(chǎng)的變化情況，可以看到在54859N的時(shí)候，最高溫度為32.33度，在64859N情況下，最高溫度達(dá)到37.63度， 從而可以推測(cè)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(chǎng)分布情況卻沒多大變化，摩擦襯墊溫升波動(dòng)主要集中在襯墊表層，最低層則沒有什么波動(dòng)。通過ANSYS有限元分析軟件模擬結(jié)果還可以看出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的推移，溫度逐漸升高，襯墊薄出的節(jié)點(diǎn)曲線斜率大，溫升變化大，襯墊厚處的節(jié)點(diǎn)曲線斜率小，溫升變化不明顯。在前面時(shí)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(shí)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(shí)測(cè)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(shí)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(duì)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(duì)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律沒有影響。

（2）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件下襯墊溫度場(chǎng)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(dòng)主要集中在襯墊表層，因而在表層容易磨損；對(duì)實(shí)際工況下所測(cè)的襯墊溫度升高值與數(shù)字模擬出來溫度升高值進(jìn)行比較，可知兩者吻合程度較好，從而驗(yàn)證了理論模型的正確性。

【參考文獻(xiàn)】

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

[責(zé)任編輯：朱麗娜]