軌道運載車鼓式制動器熱力耦合分析

魏 娟，閆 豪，陸 盼，孫 健

（西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054）

井下軌道運載車鼓式制動器的制動過程是一個復雜的熱-機耦合過程，摩擦力的作用會產(chǎn)生大量的熱量，且分布不均，從而使制動器產(chǎn)生熱變形，影響結(jié)構(gòu)的應力分布，結(jié)構(gòu)應力的變化又反過來影響溫度的分布。因此，要準確全面地分析制動過程中鼓式制動器的性能和狀態(tài)，就需要同時考慮溫度場和應力場的相互作用，分析在熱力耦合作用下制動器的溫度和應力分布情況。為此選用ABAQUS對運載車鼓式制動器進行熱力耦合仿真。分析重要零件在制動結(jié)束時的溫度分布云圖和應力分布云圖，得出高溫分布區(qū)域和應力集中區(qū)域。

1 鼓式制動器三維建模

制動器主要由制動鼓、制動蹄、摩擦片和S形凸輪組成。制動時，S形凸輪轉(zhuǎn)動通過滾輪對制動蹄施加促動力，推動制動蹄張開與摩擦片接觸摩擦，產(chǎn)生制動力矩。制動器受力分析和結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，參數(shù)如下：①制動鼓內(nèi)徑D：300 mm；②制動鼓厚度：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 制動器受力分析和結(jié)構(gòu)簡圖

2 熱力耦合仿真邊界條件

進行有限元熱分析時，需要考慮傳熱的3種基本方式，即熱傳導、對流換熱、熱輻射[1-3]。

車輛制動過程中制動器由于摩擦生成的熱能Qz為[4]：

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

由式（1）得熱流密度q：

式中：a為制動減速度；v為車輛瞬時速度；A為制動器摩擦副的接觸面積。

對流換熱系數(shù)h：

式中：V為制動時汽車的瞬時速度，km/h；δ為經(jīng)驗系數(shù)，取 0.6。

制動鼓輻射換熱量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，采用的單元類型是C3D8R和C3D4，模型中共有節(jié)點數(shù)148 662，單元數(shù)253 225。制動鼓材料為灰鑄鐵（HT250），制動蹄為球墨鑄鐵（QT450），摩擦片采用無石棉類墊片。制動鼓的材料屬性參數(shù)見表1，制動蹄的材料屬性參數(shù)表2，摩擦片的材料屬性參數(shù)見表3。

表1 制動鼓的材料屬性參數(shù)

4 邊界條件及載荷確定

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

表2 制動蹄的材料屬性參數(shù)

表3 摩擦片的材料屬性參數(shù)

在制動蹄的滾輪中心和支承銷中心分別建立節(jié)點，約束除繞z軸轉(zhuǎn)動的其余5個自由度[5]，使制動蹄在制動過程中繞支撐銷轉(zhuǎn)動。在領蹄滾輪中心施加促動力F1=1 500 N，從蹄滾輪中心施加促動力F2=3 570 N。

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

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

5 鼓式制動器的熱力耦合分析

5.1 鼓式制動器的熱分析

鼓式制動器熱分析圖如圖2，制動器制動結(jié)束時制動鼓、制動蹄、摩擦片的溫度分布云圖如圖3～圖5。

圖2 鼓式制動器熱分析圖

圖3 制動鼓的溫度分布云圖

圖4 制動蹄的溫度分布云圖

圖5 摩擦片的溫度分布云圖

由分析結(jié)果可知，在制動結(jié)束時刻，鼓式制動器的最高溫度為103.9℃。制動鼓摩擦生熱的高溫區(qū)域主要集中在制動鼓和摩擦片接觸的部分。制動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，這樣可能會產(chǎn)生較大的熱應力，長時間的應力集中會出現(xiàn)軸向和周向裂紋，進而導致熱失效。

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

5.2 熱應力耦合分析

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

圖6 鼓式制動器的熱應力耦合分布圖

圖7 制動鼓的熱應力分布圖

圖8 制動蹄的熱應力分布圖

圖9 摩擦片的熱應力分布圖

制動蹄的支撐銷位置和施加促動力的滾輪處，等效應力較大，最大應力在支撐銷位置為289.8 MPa,基本是對稱分布的。

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

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

6 不同材料對制動鼓溫度的影響

制動鼓材料材料的恰當選取會減少制動鼓溫度梯度及應力集中，避免制動鼓斷裂、局部失效等現(xiàn)象[9-10]。以下分析3種不同的材料下，制動鼓溫度變化特性。制動鼓的材料參數(shù)見表4。針對表4中3種不同的情況進行分析，制動結(jié)束時，制動鼓的溫度分布圖如圖10。

表4 制動鼓的材料參數(shù)

圖10 3種材料下的制動鼓溫度分布圖

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

7 結(jié)語

1）高溫區(qū)域主要集中在制動鼓和摩擦片接觸區(qū)域，最高溫度為103.9℃。國外相關研究表明當制動鼓溫度不高于200℃時，不會產(chǎn)生明顯的熱衰退現(xiàn)象。在制動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，這樣可能會產(chǎn)生較大的熱應力，長時間的應力集中會出現(xiàn)軸向和周向裂紋，進而導致熱失效。

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

3）增大導熱率和比熱容參數(shù)都會使制動鼓溫度降低，在材料選取時應綜合考慮。