機(jī)械電渦流制動(dòng)器關(guān)鍵件溫度場數(shù)值分析

李云輝，姚壽文，陳彥偉

（1.必能信超聲（上海）有限公司，上海 201613；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)器是車輛的主要制動(dòng)形式。隨著車輛向高速重載的方向發(fā)展，對制動(dòng)效能提出了更高的要求，傳統(tǒng)的摩擦式制動(dòng)器已難以滿足高速重載車輛正常行駛的要求，極易出現(xiàn)制動(dòng)器熱衰退，甚至熱失效而造成事故[1]。因此，在高速重載車輛上裝備輔助制動(dòng)系統(tǒng)是車輛具有良好制動(dòng)性能的保證。

輔助制動(dòng)系統(tǒng)有發(fā)動(dòng)機(jī)緩速（排氣緩速）制動(dòng)、牽引電機(jī)緩速制動(dòng)、液力緩速制動(dòng)、電渦流緩速制動(dòng)、空氣動(dòng)力緩速制動(dòng)等。其中，電渦流緩速器以其具有非接觸無摩擦、響應(yīng)時(shí)間短、能夠提供車輛正常行駛85%的制動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)，大大減小了主制動(dòng)器的負(fù)荷，提高了車輛行駛安全性。同時(shí)，電渦流緩速器制動(dòng)力矩可調(diào)，有效減小了制動(dòng)對車輛帶來的沖擊，實(shí)現(xiàn)車輛的可控減速，提高了乘坐舒適性[2]。所以在緩速制動(dòng)方式中，電渦流緩速方式得到了廣泛的應(yīng)用。然而，電渦流緩速器制動(dòng)不能提供停車制動(dòng)，制動(dòng)效能受轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流的影響，雖然大勵(lì)磁電流能夠提供較大的制動(dòng)力，但會(huì)由于溫度原因?qū)е聞?lì)磁線圈失效。受溫度的影響而導(dǎo)致勵(lì)磁線圈失效是主要故障之一。

本文針對某特種車輛設(shè)計(jì)的機(jī)械-電渦流制動(dòng)器，以某制動(dòng)效能分配原則，對影響制動(dòng)效能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件制動(dòng)盤和轉(zhuǎn)子盤進(jìn)行溫度場分析，并結(jié)合溫度場分析結(jié)果提出了一些設(shè)計(jì)建議。本文的分析結(jié)果也可為制動(dòng)器的強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供邊界條件。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

機(jī)械-電渦流制動(dòng)器由機(jī)械全盤摩擦式制動(dòng)器和電渦流緩速器組成，如圖1所示。機(jī)械制動(dòng)器由靜摩擦盤2和動(dòng)摩擦盤3組成，電渦流緩速器由定子組件1和轉(zhuǎn)子盤4構(gòu)成，其中靜摩擦盤2和定子組件1聯(lián)接，動(dòng)摩擦盤3和轉(zhuǎn)子盤4聯(lián)接。定子組件1安裝在車輛底盤上，轉(zhuǎn)子組件安裝在車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)上，定子組件與轉(zhuǎn)子組件之間在周向布置了勵(lì)磁線圈；緩速器控制系統(tǒng)把車載直流電源進(jìn)行無級(jí)調(diào)壓后輸入緩速器定子，以產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流。車輛行駛時(shí)，轉(zhuǎn)子隨傳動(dòng)系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而定子保持不動(dòng)。當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)緩速器控制系統(tǒng)，調(diào)整加在電渦流緩速器定子的電壓，產(chǎn)生相應(yīng)大小的勵(lì)磁電流，使轉(zhuǎn)子得到制動(dòng)力矩。摩擦式制動(dòng)器通過調(diào)節(jié)液壓缸壓力改變摩擦盤之間的壓緊力，使相對運(yùn)動(dòng)的摩擦副產(chǎn)生制動(dòng)力矩。

緊急制動(dòng)時(shí)，電渦流緩速器與摩擦式制動(dòng)器共同作用實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)。制動(dòng)過程中的一部分車輛的動(dòng)能通過在轉(zhuǎn)子盤中產(chǎn)生的電渦流而轉(zhuǎn)換成熱量，另一部分通過摩擦盤摩擦而產(chǎn)生熱。為滿足制動(dòng)器散熱需要，轉(zhuǎn)子盤4上設(shè)計(jì)有復(fù)雜的風(fēng)道和散熱筋，隨著轉(zhuǎn)子盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片與空氣的熱交換將熱散發(fā)出去；機(jī)械制動(dòng)器產(chǎn)生的熱主要依靠勵(lì)磁線圈間隙的空氣對流散熱，另一部分通過定子組件1和轉(zhuǎn)子盤4之間的傳導(dǎo)散熱。由圖1可知，制動(dòng)器實(shí)際工作過程中的散熱環(huán)境是很惡劣的，尤其是機(jī)械盤式制動(dòng)器。

對于轉(zhuǎn)子盤4而言，為滿足車輛制動(dòng)性能的需要，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子盤最大直徑達(dá)660 mm，同時(shí)電渦流要求磁隙很?。ㄐ∮? mm），若轉(zhuǎn)子盤受熱變形，除影響制動(dòng)力矩的穩(wěn)定外，還影響轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性。因此，制動(dòng)盤和轉(zhuǎn)子盤的溫度場對于制動(dòng)器的制動(dòng)效能和使用壽命具有重要影響。

2 制動(dòng)器弱流-固耦合模型

所謂弱流-固耦合法，是指在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，分別依次對計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方程和計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)(Computational Structural Dynamics，CSD)方程進(jìn)行求解，流場和結(jié)構(gòu)場的計(jì)算結(jié)果通過搭建的中間數(shù)據(jù)交換平臺(tái)彼此交換信息，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)場的耦合求解。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于求解過程中兩個(gè)物理場相互獨(dú)立，可以充分發(fā)揮各自領(lǐng)域的長處，計(jì)算結(jié)果也有較高的精度。弱流-固耦合[3]分析的方法將相互作用的固體和流體作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，將固、流接觸面上難以確定的外部邊界條件轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的內(nèi)邊界，因此計(jì)算時(shí)只定義系統(tǒng)外部邊界條件，既降低了建模的難度，又能滿足足夠的求解精度。

2.1 固體與流體模型

首先，為方便對制動(dòng)器的流-固耦合分析，在模型建立過程中忽略了部分結(jié)構(gòu)特征，如將轉(zhuǎn)子盤與摩擦片聯(lián)接的銷釘與安裝孔，以及勵(lì)磁線圈產(chǎn)熱對制動(dòng)盤散熱的影響。本文采用Pro/E3.0建立制動(dòng)器關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)子盤和摩擦片的三維模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS/Workbench中，再利用包圍（Enclosure）操作建立了相應(yīng)的流體域模型。在制動(dòng)器固體域和散熱流體域之間存在著流-固交界面。制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子盤生成的熱通過交界面與空氣發(fā)生熱交換，將熱量散發(fā)出去。

2.2 網(wǎng)格劃分

由圖2可知，制動(dòng)器的轉(zhuǎn)子盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)流體域也較為復(fù)雜，而靜止流體域的結(jié)構(gòu)簡單，因此可以將模型分別導(dǎo)入到ICEM中采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分得到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖2所示。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 固體傳熱方程

在考慮熱傳導(dǎo)、熱對流和生熱率的情況下，生熱率產(chǎn)生的熱量加上導(dǎo)入的熱量等于對流帶走的熱量與使溫度升高的熱量之和，有限元公式[4]表示為

車輛行駛時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣對流，邊界條件為對流換熱邊界條件[5]。式中，hf為膜傳熱系數(shù)；TB為流體（空氣）溫度；TS為轉(zhuǎn)子盤表面溫度；τ為換熱邊界。

3.2 流體流動(dòng)與傳熱的基本微分控制方程

雖然流動(dòng)和傳熱現(xiàn)象比較復(fù)雜，但都受3個(gè)最基本的物理規(guī)律的支配，即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒，以張量形式表示的3個(gè)守恒方程[6]，如式（3）～（5）所示。

質(zhì)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程

能量守恒方程

式中，U為速度矢量；p為流體壓力；μ為流體的動(dòng)力粘度；cp為流體的比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；F為作用在流體上的質(zhì)量力；q為流體吸收的熱量；T為流體溫度；Φ為能量耗散函數(shù)。

4 緊急制動(dòng)時(shí)關(guān)鍵零件溫度場分析

本文先求得制動(dòng)器穩(wěn)態(tài)溫度場分布，此時(shí)耦合模型中無內(nèi)熱源；然后再將此結(jié)果作為瞬態(tài)溫度場初始邊界條件，同時(shí)將熱源施加在轉(zhuǎn)子盤和摩擦盤的作用面，求解瞬態(tài)溫度場分布。某特種車輛質(zhì)量為45 t，在兩側(cè)輸出端各安裝了一個(gè)制動(dòng)器。制動(dòng)初始速度為20 m/s，制動(dòng)減速度為5 m/s2，則制動(dòng)時(shí)間為4 s。

4.1 熱源計(jì)算

生成熱率以熱流密度的形式分別施加在轉(zhuǎn)子盤和摩擦盤作用面上。制動(dòng)能量在轉(zhuǎn)子盤與摩擦盤之間的熱能分配比例為kq，則轉(zhuǎn)子盤和摩擦盤的熱能系數(shù)分別為kqL、kqM。

在任意時(shí)刻（t-Δt）與t（t＜4s）之間，車輛制動(dòng)功率（kW）為

轉(zhuǎn)子盤和摩擦片作用面的熱流密度（kW/m2）分別為

式中，TL為轉(zhuǎn)子盤制動(dòng)力矩；TM為摩擦片制動(dòng)力矩；n1為t時(shí)刻轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)速；n2為（t-Δt）時(shí)刻轉(zhuǎn)速；AL為轉(zhuǎn)子盤的作用面積；AM為摩擦盤的作用面積。

4.2 邊界條件和材料屬性

4.2.1 邊界條件設(shè)置

（1）速度進(jìn)口邊界條件：溫度25 ℃，速度為（20-5 t）（m/s）。

（2）壓力出口邊界條件：相對靜壓為0 Pa。

（3）開口邊界條件：相對靜壓為0 Pa，開口溫度為25 ℃。

（4）與旋轉(zhuǎn)流體域接觸面為流-流耦合壁面。

（5）旋轉(zhuǎn)流體域與轉(zhuǎn)子盤接觸面設(shè)置為流-固耦合面。

（6）轉(zhuǎn)子盤與摩擦盤固聯(lián)一起，設(shè)置為固-固耦合界面。

（7）剩余的面設(shè)為絕熱壁面。

4.2.2 材料屬性設(shè)置

制動(dòng)器（包括轉(zhuǎn)子盤和摩擦盤）和流體的材料屬性見表1。

表1 制動(dòng)器材料屬性

4.3 結(jié)果分析

緊急制動(dòng)結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)子盤和摩擦片的瞬態(tài)溫度場及剖面溫度分布如圖3、圖4所示，最高溫度分別為170.6 ℃和709.1 ℃。

由圖3可知，在緊急制動(dòng)過程中，制動(dòng)器作用時(shí)間較短，此時(shí)轉(zhuǎn)子盤渦流表面和外側(cè)接觸空氣表面之間溫度差高達(dá)140 ℃，溫度梯度較大，轉(zhuǎn)子盤熱變形不均勻，增加了轉(zhuǎn)子盤內(nèi)的熱應(yīng)力，影響電渦流制動(dòng)的穩(wěn)定性。另外，渦電流的集膚效應(yīng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子盤各勵(lì)磁線圈作用表面也存在溫度差，使轉(zhuǎn)子盤環(huán)面也存在較大的溫度梯度，盤面熱變形影響制動(dòng)盤的勵(lì)磁效果，導(dǎo)致制動(dòng)力矩不均勻，影響車輛的制動(dòng)穩(wěn)定性。因此，在轉(zhuǎn)子盤的軸向可以采用分層材料結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)在軸向的熱傳導(dǎo)，降低軸向溫度梯度。此外，也可以選用熱流率大的材料作為制動(dòng)器結(jié)構(gòu)材料。

由圖4可知，摩擦盤的溫度較高，最高溫度達(dá)709.1 ℃，兩端面也存在很大的溫度差。本文的溫度場分析時(shí)已忽略了勵(lì)磁線圈對散熱的影響，散熱條件較實(shí)際情況好。實(shí)際上，制動(dòng)盤的傳熱方式受勵(lì)磁線圈布置的影響，制動(dòng)過程中的溫升比仿真結(jié)果要大，在惡劣情況下可能超過材料的許用溫度，導(dǎo)致制動(dòng)盤的熱失效。因此，對于盤式制動(dòng)器而言，應(yīng)該優(yōu)化制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度允許的情況下，進(jìn)行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低材料的溫升，保證制動(dòng)效能的正常發(fā)揮。

5 結(jié)論

本文在分析機(jī)械-電渦流制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)以及熱源、熱流的基礎(chǔ)上，采用弱流-固耦合方法，利用靜止流體域建立了關(guān)鍵零件的溫度場分析模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析，具體結(jié)論為：

（1）弱流-固耦合的溫度場分析方法，建模簡潔，仿真精度較高，適合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜零件溫度場的分析需要。

（2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的溫度場分析，采用靜止流體域可以降低有限元建模難度，提高建模精度，能夠滿足求解精度要求。

（3）緊急制動(dòng)工況，作用時(shí)間較短，熱量不能及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子盤和制動(dòng)盤軸向溫度梯度較大，增加了結(jié)構(gòu)件的軸向溫度應(yīng)力以及熱失效的可能性。

（4）對于機(jī)械-電渦流制動(dòng)器而言，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以采用多層功能材料，降低軸向溫度梯度，改善結(jié)構(gòu)件的溫度場。對于盤式制動(dòng)器而言，結(jié)構(gòu)允許的情況下，盡可能設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道，使溫度場分布更加均勻。

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