高業(yè)青

摘要：由于危險(xiǎn)品的運(yùn)輸需要格外注意車輛行駛的安全，因此要給予制動(dòng)器的設(shè)計(jì)適當(dāng)關(guān)注，仔細(xì)探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于運(yùn)輸車輛的瞬態(tài)傳熱也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行物理模型的建立、數(shù)值計(jì)算以及結(jié)果分析工作，進(jìn)一步保護(hù)制動(dòng)系統(tǒng)，將車輛行駛的安全性提高。

關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)品運(yùn)輸;制動(dòng)器;瞬態(tài)傳熱

引言：車輛的制動(dòng)器往往會(huì)由于熱衰退的原因造成制動(dòng)失敗，為了對(duì)其熱衰退情況進(jìn)行全面把握，科學(xué)家對(duì)制動(dòng)機(jī)進(jìn)行了多年研究探索并取得了一定成果，通過大量的比較試驗(yàn)使獲得的計(jì)算結(jié)果更加精確，保留最合理的計(jì)算公式，為具備更穩(wěn)定性能的制動(dòng)器的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1危險(xiǎn)品運(yùn)輸車制動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，盤式制動(dòng)器相較于鼓式制動(dòng)器而言性能更加穩(wěn)定，更能保障危險(xiǎn)品的運(yùn)輸車輛在行駛過程中的安全。以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為分類依據(jù)，盤式制動(dòng)器能夠分為兩種形式，一種形式為鉗盤式，其僅有部分區(qū)域接觸制動(dòng)塊，而鉗盤式又可以分成兩種，一種是定鉗盤式，此鉗盤式具有諸多缺陷，例如需要較多油缸、制動(dòng)鉗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受熱時(shí)制動(dòng)液易汽化導(dǎo)致危險(xiǎn)。另一種是浮鉗盤式，此鉗盤式的尺寸較小，相較于定鉗盤式而言，其制動(dòng)液不易受到溫度影響發(fā)生汽化。除鉗盤式外的另一種形式為全盤式，其所有工作面都能夠接觸制動(dòng)塊。

1.1.1制動(dòng)盤

在車輛制動(dòng)時(shí)，其襯片能夠向制動(dòng)盤施加一定法向力，同時(shí)帶來適當(dāng)切向力，但此時(shí)制動(dòng)盤會(huì)受到過熱的影響。為了達(dá)到更好的散熱，通常將通風(fēng)槽設(shè)置在制動(dòng)盤中間，并且保持雙層結(jié)構(gòu)。制動(dòng)盤的直徑D需要盡可能大以增加其有效半徑，進(jìn)而縮小夾緊力，使襯塊上單位壓力的大小降低，車輛在剎車時(shí)也能將溫度控制在合理范圍之內(nèi)。輪輞直徑限制著剎車盤的具體大小，一般來說剎車盤的直徑大小在輪輞的70%以上，90%以下。實(shí)心制動(dòng)盤的厚度也有固定要求，通常是在8～22mm范圍之內(nèi)，部分附帶通風(fēng)孔道的制動(dòng)盤的厚度略高，其范圍在22～45mm之間。由于攜帶危險(xiǎn)品的車輛必須以安全為行駛的第一原則，因此在設(shè)計(jì)制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)時(shí)，一般附帶通風(fēng)孔道，其厚度控制在25mm。

1.1.2制動(dòng)鉗

一般情況下，車輛中的制動(dòng)鉗的安裝位置位于車軸的前、后部。將其安裝于車軸前部時(shí)，其能夠有效阻擋行駛過程中輪胎甩帶的泥水，對(duì)制動(dòng)鉗的防銹防腐具有一定作用，當(dāng)其安裝于車軸后部時(shí)，能夠在車輛行駛中有效減輕輪轂軸承承擔(dān)的載荷。由于危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛的安全備受關(guān)注，因此，其制動(dòng)鉗必須具備高強(qiáng)度的性能，還需要擁有高剛度的質(zhì)量，為了滿足以上要求，一般選擇QT550作為制動(dòng)鉗的材料。

1.1.3制動(dòng)塊

制動(dòng)塊的構(gòu)成部分主要有兩類，一類是背板，另一類是摩擦襯塊，兩者之間具有緊緊粘連的關(guān)系。為了防止襯塊發(fā)生卷角的情況，盡量避免危險(xiǎn)車輛在行駛的過程中發(fā)出尖銳叫聲，要求活塞所盡可能將制動(dòng)塊的面積全部壓住。車輛運(yùn)輸中襯塊的磨損不可避免，在其過度磨損時(shí)，為了安全安裝的警報(bào)裝置將會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒駕駛員停車檢查并及時(shí)將磨損過度的襯片更換下來。通常制動(dòng)塊中選擇14mm厚的摩擦片。

1.1.4摩擦材料

摩擦材料也是制動(dòng)器中不可缺少的一部分，在制動(dòng)器中使用的摩擦材料必須要滿足兩個(gè)要求，一是其摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定，二是具備優(yōu)異的抗熱衰退性能。只有滿足以上兩種要求的摩擦材料才能夠保障制動(dòng)器中摩擦的正常，一旦其抗熱衰退性能與摩擦系數(shù)不足以應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛中的制動(dòng)要求，摩擦系數(shù)在溫度的影響下突然下降，非常容易導(dǎo)致行駛事故，帶來非常嚴(yán)重的安全問題。除此之外，摩擦材料還需要確保其耐磨性良好，吸水率偏低，同時(shí)具備優(yōu)良的耐擠壓性，也能夠耐沖擊。由于制動(dòng)器在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)需要避免噪聲問題以及異味的出現(xiàn)，因此需要優(yōu)先選擇環(huán)保性強(qiáng)的材料。

1.1.5制動(dòng)器間隙

尚未進(jìn)行制動(dòng)時(shí)需要確保制動(dòng)器的間隙，此間隙需要留在制動(dòng)盤和摩擦襯片中，只有確保兩者間間隙的正常存在才能夠使制動(dòng)盤自由轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來說，盤式制動(dòng)器需要控制的間隙范圍在0.15到0.35mm之間。由于間隙過大非常容易造成踏板行程的損失，因此間隙不能超出0.35mm。間隙的確認(rèn)時(shí)間應(yīng)當(dāng)在制動(dòng)器的冷卻狀態(tài)，其主要原因是制動(dòng)的過程中必定會(huì)產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致材料的熱變形，間隙的測量結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)偏差。為了做好間隙控制工作，需要在制動(dòng)器中設(shè)置自動(dòng)調(diào)整間隙的機(jī)構(gòu)。

1.2制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

針對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛設(shè)計(jì)的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，就其質(zhì)量而言，由于對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化，為制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)省下了較多材料，運(yùn)輸車輛的質(zhì)量在確保安全的前提下下降了許多。其次，就溫度而言，在設(shè)計(jì)過程中考慮到溫度對(duì)于制動(dòng)器的影響，選取了諸多性能優(yōu)異的材料，使制動(dòng)盤即使在剎車時(shí)也能夠控制住溫度，避免了剎車盤的過度損耗，降低了剎車盤故障的概率。最后，就其散熱性能而言，設(shè)計(jì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)時(shí)，往往考慮到散熱性能而選擇帶有通風(fēng)口的部件，使制動(dòng)器的散熱性能得到較好的保障。

2瞬態(tài)傳熱

2.1物理模型

為了對(duì)制動(dòng)盤的瞬態(tài)傳熱進(jìn)行深度分析，直觀地感受其制動(dòng)時(shí)溫度發(fā)生的變化，準(zhǔn)確地分析熱量的產(chǎn)生和散發(fā)，需要建立合理的數(shù)學(xué)模型[2]：

ρCP +ρCPu??T+??q=Q+Qtedq=-k?T

其中ρ指代的是剎車盤中各類材質(zhì)具備的密度，而CP指的是剎車盤中各種材質(zhì)正常的恒壓比熱容。公式中的u指的是制動(dòng)器以及摩擦片兩者的相對(duì)速度，而k指的是熱彈性阻尼，最后?指的是微分算子。由于制動(dòng)盤與摩擦片都處于空氣之中，并且都在強(qiáng)制進(jìn)行對(duì)流散熱工作，因此設(shè)置的邊界條件如下：

q0=h（Tair-T）

其中，q0指代的是制動(dòng)器的外表層由于對(duì)流散熱造成的熱流量，公式中的h指的是對(duì)流換熱的系數(shù)，而Tair指的則是當(dāng)前空氣的溫度。制動(dòng)盤與摩擦片除了對(duì)流散熱之外還能夠輻射傳熱，計(jì)算輻射傳熱的公式如下：

-n?q=εσ（T4amb-T4）

其中，Tamb代表著當(dāng)前環(huán)境的溫度，ε指代的是兩者表面的輻射率，而σ則是玻爾茲曼常數(shù)。在此數(shù)學(xué)模型中，制動(dòng)器位于制動(dòng)初始時(shí)間即t=0時(shí)，Tina=Tair

2.2數(shù)值計(jì)算

數(shù)值計(jì)算時(shí)，假定危險(xiǎn)品的運(yùn)輸車輛在行駛過程中初速度v0為20m/s，制動(dòng)的加速度a為-10m/s2，其車輪的半徑r為0.35m，當(dāng)t=2s時(shí)進(jìn)行剎車，則t=5s時(shí)將會(huì)結(jié)束剎車。當(dāng)其制動(dòng)2s之后，剎車盤將會(huì)接觸剎車片交界面，假設(shè)忽視剎車外部產(chǎn)生的曳力，忽略其他部件發(fā)生的損耗，則延遲功率P的計(jì)算公式為：

P=- （ ）=-mcaru

確定好所有公式與參數(shù)后，可以采用有限元的計(jì)算方法實(shí)施計(jì)算，利用comsol軟件劃分制動(dòng)器。

2.3結(jié)果分析

當(dāng)車輛剎車后，2snei溫度將會(huì)快速上升，此時(shí)剎車盤的中心溫度變化不明顯，外側(cè)與其一致，而其與剎車片接觸的區(qū)域溫度變化最快，所達(dá)到的溫度最高。沒有通風(fēng)孔的制動(dòng)器相對(duì)于設(shè)置了通風(fēng)口的制動(dòng)器而言，其剎車后的溫度差異較大，并且其溫度的分布相對(duì)來說較為均勻，并且在傳遞熱量的效率上，其具有較大優(yōu)勢(shì)，而沒有設(shè)置通風(fēng)孔的制動(dòng)器其溫度分布則具有明顯差距，其傳遞熱量的速度非常慢，效率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如具有通風(fēng)口的制動(dòng)器，很容易導(dǎo)致制動(dòng)盤發(fā)生熱失效的情況。以上結(jié)果說明對(duì)制動(dòng)器的模型進(jìn)行通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)很有必要，此類設(shè)計(jì)能夠較好地調(diào)控制動(dòng)器中產(chǎn)生的熱疲勞。

結(jié)論：總而言之，對(duì)于安全第一的危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛而言，制動(dòng)器的作用至關(guān)重要，研究人員需要仔細(xì)探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，通過瞬態(tài)傳熱的物理模型的建立、數(shù)值計(jì)算以及結(jié)果分析工作對(duì)其模型進(jìn)行有效優(yōu)化，以實(shí)際數(shù)據(jù)為有力依據(jù)完善制動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞鑫珂.盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（05）：82-85+94.

[2]戴海燕，張繼華，李長玉.某危險(xiǎn)品運(yùn)輸車制動(dòng)器設(shè)計(jì)及瞬態(tài)傳熱分析[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，18（03）：264-268.