范江鵬

1中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 030006

2山西天地煤機(jī)裝備有限公司 山西太原 030006

3煤礦采掘裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030006

礦用防爆無軌膠輪車由于其出色的動(dòng)力性、機(jī)動(dòng)靈活性和高效安全性，成為眾多煤礦用戶的不二選擇[1-5]。而濕式制動(dòng)器作為礦用防爆無軌膠輪車的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著車輛的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及駐車的重要任務(wù)，因此制動(dòng)器的可靠性對(duì)礦用防爆無軌膠輪車的安全性有著非常重要的作用。

但隨著煤礦綜采面開采深度的增加，越來越多的礦井巷道呈現(xiàn)持續(xù)坡路的運(yùn)行工況，如國家能源羊場灣煤礦，從井口到最遠(yuǎn)的工作面距離達(dá)到 12.5 km，呈 6 °～7°連續(xù)下坡工況。而礦用防爆無軌膠輪車的濕式制動(dòng)器面對(duì)連續(xù)下坡的工況環(huán)境，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或駕駛員操作不當(dāng)，制動(dòng)器摩擦片在制動(dòng)工況中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，輕則造成內(nèi)部密封圈碳化失效，回位彈簧高溫狀態(tài)下壽命減少等問題；重則使得濕式制動(dòng)器失效，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為研究濕式制動(dòng)器在制動(dòng)工況下的發(fā)熱量，采用有限元分析法，對(duì)濕式制動(dòng)器中的摩擦片和鋼片進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，研究制動(dòng)器在緊急制動(dòng)工況和勻速下坡制動(dòng)工況下的溫升變化，為濕式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)以及該系統(tǒng)散熱性能的計(jì)算提供理論依據(jù)。

1 理論分析

濕式制動(dòng)器的工作原理：在其內(nèi)部隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦片和相對(duì)靜止的鋼片相互摩擦的作用下，使車輪減速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的一個(gè)瞬態(tài)過程。由于受到內(nèi)部空間的制約，其間產(chǎn)生的大量熱能無法快速釋放[6-8]，因此，濕式制動(dòng)器制動(dòng)過程存在溫差，必然會(huì)以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的方式進(jìn)行傳遞[9-11]。

熱傳導(dǎo)是發(fā)生在介質(zhì)內(nèi)部，根據(jù)不同溫度梯度的分子相互作用，實(shí)現(xiàn)熱傳遞，該過程遵循傅里葉定律

式中：Q為熱流量，W；A為熱傳導(dǎo)面積，m2；K為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；x、y、z為空間坐標(biāo)的 3 個(gè)維度，m。

熱對(duì)流是流體與固體之間的對(duì)流換熱，該過程遵循牛頓冷卻定律

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·K)；θ為鋼片與摩擦片摩擦生成的熱量，W/(m3·s)。

2 濕式制動(dòng)器模型簡化

2.1 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

某礦用防爆無軌膠輪車用濕式制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要是由靜殼、制動(dòng)活塞、若干鋼片、若干摩擦片、動(dòng)殼以及密封圈組成。

圖1 濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of wet brake

2.2 模型簡化

由于鋼片和摩擦片的摩擦作用是熱量產(chǎn)生的根源，而筆者所計(jì)算的濕式制動(dòng)器是由 5 組鋼片和 4 組摩擦片交錯(cuò)組成，整體計(jì)算會(huì)耗費(fèi)較大的計(jì)算機(jī)資源。因此，按如下方案對(duì)模型進(jìn)行簡化：

(1) 簡化鋼片外圓的固定齒；

(2) 簡化摩擦片內(nèi)圓的花鍵；

(3) 只對(duì) 2 個(gè)鋼片、1 個(gè)摩擦片的制動(dòng)過程進(jìn)行分析，簡化后的模型如圖2 所示。

圖2 濕式制動(dòng)器簡化模型Fig.2 Simplified model of wet brake

2.3 邊界條件

濕式制動(dòng)器是在液壓油壓力作用下，在鋼片一側(cè)施加壓力，通過擠壓摩擦片使車輪減速或停止轉(zhuǎn)動(dòng)。具體到本算例，是將鋼片 1 的x，y，z3 個(gè)方向的自由度全部約束，在鋼片 2 的表面施加來自活塞的正壓力，約束其余 2 個(gè)方向的自由度；而摩擦片則設(shè)置 1 個(gè)繞圓心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副。在臺(tái)架試驗(yàn)中測得，濕式制動(dòng)器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，平均溫度約為 65 ℃，故在此算例中，初始溫度設(shè)置為 65 ℃。

由于不同駕駛員駕駛習(xí)慣不同，車輛在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量也不相同。為簡化計(jì)算，筆者對(duì)防爆無軌膠輪車的制動(dòng)工作過程做出如下假設(shè)：

(1) 根據(jù) MT/T 989—2006《礦用防爆柴油機(jī)無軌膠輪車通用技術(shù)條件》中的規(guī)定，車輛以初速度 20 km/h 行駛時(shí)的制動(dòng)距離應(yīng)不大于 8 m。以此為依據(jù)，計(jì)算濕式制動(dòng)器在緊急制動(dòng)工況下的發(fā)熱量。

(2) 車輛在持續(xù)下坡時(shí)的制動(dòng)工況下也會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，但由于持續(xù)制動(dòng)，發(fā)熱量會(huì)呈線性關(guān)系持續(xù)增加，極易造成單元格變形失效，因此只計(jì)算制動(dòng)器摩擦片運(yùn)轉(zhuǎn) 1 s 的溫升，以此考量制動(dòng)器的發(fā)熱量。具體參數(shù)設(shè)置如表1 所列。

表1 參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting

3 仿真分析

3.1 緊急制動(dòng)工況

該工況模擬的是在平路行駛過程中遇到緊急情況時(shí)，礦用防爆無軌膠輪車以 20 km/h 的初速度迅速制動(dòng)停車，抱死時(shí)摩擦片的溫升情況如圖3 所示。

圖3 緊急制動(dòng)工況摩擦片溫度分布Fig.3 Temperature distribution of friction plate under emergency braking condition

緊急制動(dòng)工況下，駕駛員迅速踩下剎車踏板，制動(dòng)器摩擦片在 0.2 s 內(nèi)迅速抱死。由圖3 可知，摩擦片最高溫度為 86.53 ℃，出現(xiàn)在摩擦片外徑處，與初始溫度相比，溫度上升了 21.53 ℃。摩擦片在鋼片的壓緊作用下，轉(zhuǎn)速逐漸下降，摩擦生熱，但由于摩擦片外徑處的線速度高于內(nèi)徑處，在相同作用時(shí)間內(nèi)，外徑處的摩擦功率大于內(nèi)徑處。因此，摩擦片的溫度分布呈環(huán)狀，且摩擦片外徑處溫度最大，越向內(nèi)徑處溫度越低。

3.2 勻速制動(dòng)工況

該工況是模擬礦用防爆無軌膠輪車在持續(xù)下坡路段的勻速制動(dòng)工況，筆者是以羊場灣煤礦的車輛使用工況進(jìn)行分析，即駕駛員在 6°～7°的下坡路段通過持續(xù)踩剎車的方式控制礦用防爆無軌膠輪車以 10 km/h 的速度勻速下坡。此種工況下摩擦片的溫升分布情況如圖4 所示。由圖4 可知，摩擦片溫度由 65.00 ℃ 上升到 87.67 ℃，溫度上升了 22.67 ℃，溫升隨著時(shí)間變化呈線性關(guān)系。在該工況下，高溫區(qū)域仍集中在摩擦片外徑處。

圖4 勻速制動(dòng)工況摩擦片溫度分布Fig.4 Temperature distribution of friction plate under constant-speed braking condition

綜上分析，緊急制動(dòng)工況是短時(shí)工況，制動(dòng)器在 0.2 s 內(nèi)瞬時(shí)抱死，摩擦片溫度上升 21.53 ℃，制動(dòng)器的最高溫度為 86.53 ℃，隨著時(shí)間的推移，制動(dòng)器將產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過制動(dòng)器殼體和內(nèi)部齒輪油傳遞至空氣中，且最高溫度未達(dá)到破壞密封圈、降低回位彈簧使用壽命的極限溫度；而勻速制動(dòng)工況的發(fā)熱量比較大，摩擦片在每一圈的制動(dòng)過程中溫升為 22.67 ℃，如若長時(shí)間采用此種操作方式，制動(dòng)器內(nèi)部的密封圈、回位彈簧等部件很快會(huì)因溫度過高而損壞。根據(jù)此溫升值，利用熱量計(jì)算公式可合理評(píng)估制動(dòng)器的散熱量，如若制動(dòng)器自身結(jié)構(gòu)無法滿足散熱需求，可對(duì)車輛設(shè)計(jì)制動(dòng)器強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)以滿足使用需求。但是即便是設(shè)計(jì)合理的濕式制動(dòng)器，在持續(xù)坡路工況下仍不推薦持續(xù)踩剎車制動(dòng)的方式，為降低制動(dòng)器在此期間的發(fā)熱量，建議駕駛員掛低速擋，利用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)效應(yīng)達(dá)到降低車速的目的。

4 結(jié)論

(1) 通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，濕式制動(dòng)器在緊急制動(dòng)工況和勻速制動(dòng)工況溫升分別為 21.53 ℃ 和 22.67 ℃，最大溫度值均位于摩擦片外徑處。緊急制動(dòng)工況是短時(shí)工況，其產(chǎn)生的熱量不足以損壞濕式制動(dòng)器內(nèi)部元部件；而勻速制動(dòng)工況持續(xù)產(chǎn)生熱量，濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或駕駛員操作不當(dāng)均會(huì)造成元部件損壞。

(2) 通過有限元分析手段，可在設(shè)計(jì)階段合理評(píng)估制動(dòng)器在每個(gè)工作過程的發(fā)熱量，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)制動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)；針對(duì)常規(guī)自然冷卻型濕式制動(dòng)器在持續(xù)下坡路段的勻速制動(dòng)工況環(huán)境下發(fā)熱無法使用，需增加濕式制動(dòng)器強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的問題，利用分析結(jié)果可為冷卻系統(tǒng)的散熱性能計(jì)算提供理論依據(jù)。