采煤機制動器松閘運轉時溫度超標的分析改進

朱紅

(天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030)

按煤炭安全規(guī)程要求，煤層傾角大于15°的工作面，采煤機必須安裝防下滑裝置。常閉多盤濕式制動器 (結構如圖1所示)作為采煤機的防下滑裝置，是整機安全生產(chǎn)的重要保證。

圖1 采煤機多盤濕式制動器結構示意圖

但是，長期以來，在出廠檢驗中，經(jīng)常會有制動器在松閘狀態(tài)下，與其傳動軸作同步連續(xù)運轉時異常發(fā)熱，溫度和溫升值均超出行標［1］的要求，返修次數(shù)較多，且即便是返修后的產(chǎn)品，如在環(huán)境溫度高的夏季，其溫度測試值也不盡理想，總在規(guī)定值的上限浮動。這樣不僅影響到制動器本身和整機的出廠效率，更緊要的是，制動器長時間在過高溫度下運轉，會加速油液、密封材料特別是摩擦材料的老化、失效，嚴重影響其制動性能和使用壽命。因此，必須盡快對制動器溫升過高的問題進行攻關。

1 對比試驗及原因分析

對發(fā)熱異常的液壓制動器進行試驗及現(xiàn)場拆裝后，發(fā)現(xiàn)其內外摩擦片并無變形，開啟油壓正常，活塞動作不蹩卡，行程達到規(guī)定值，排查上述因素后，確定做下列兩組對比試驗，找出液壓制動器異常發(fā)熱的主要原因。

(1)試驗一

考慮到制動器設計行程偏小，摩擦片數(shù)量多，片間間隙的設計有可能不能滿足運轉時片間完全分離而摩擦發(fā)熱，對制動器行程值和摩擦副的數(shù)量做出輕微調整后，進行了以下試驗。

試驗條件:制動器外殼放置溫度傳感器，腔內注滿齒輪油 (除干式摩擦外)，轉速1 500 r/min。

試驗要求:同行標5.5，制動器在松閘狀態(tài)下連續(xù)運轉0.5 h，制動器外殼溫度不大于80℃，溫升應不大于60℃。

試驗結果 (表1)表明:受制動器空間結構限制，又要保證一定的制動扭矩，此次試驗只在制動器結構上做了輕微的調整變化，這種改進對外殼溫度的控制雖有所作用，但要完全控制還是不夠的，而且溫度還是在80℃左右。

表1 試驗一試驗結果數(shù)據(jù) ℃

(2)試驗二

考慮到濕式條件下運轉，內外摩擦片容易黏連，剪切油膜而發(fā)熱［2］，對制動器進行了以下試驗，見表2。

試驗條件和要求同試驗一。

試驗結果 (表2)表明:

①平臥時，制動器摩擦片間容易分離;傾斜30°，摩擦片結合在一起，試驗C和D說明，摩擦片結合在一起發(fā)熱就大;

②同一制動器在干摩擦條件下，發(fā)熱少，溫度可完全控制 (考慮到干式摩擦制動器容易起火的不安全因素，不宜在礦井下使用);濕式條件下運轉發(fā)熱，主要是受到了油液黏度的影響，油膜黏性摩擦會產(chǎn)生大量熱量。

③機械分離各摩擦片，保持各片間間隙均勻分布，即使在濕式條件下運轉，也是可以控制制動器溫度的。說明制動器工作時摩擦片間雖有間隙存在，但是由于油液存在較高黏度，摩擦片間不能很好地分離，全行程可能出現(xiàn)在某一對摩擦副中，不能在所有摩擦片間均勻分布，片間間隙小，剪切油膜發(fā)熱就大［3］。

通過兩組對比試驗后發(fā)現(xiàn)，稍許地增大幾毫米行程或減少幾對摩擦副是不會從根本上解決制動器異常發(fā)熱的，更重要的是采取何種辦法來保證全行程在摩擦片間的均勻分布，保持一定的片間間隙，在濕式條件下運轉時，盡可能減少剪切油膜發(fā)熱［4］。

表2 試驗二試驗結果數(shù)據(jù) ℃

2 油膜剪切功率損耗的計算

摩擦片剪切油膜發(fā)熱是濕式制動器異常發(fā)熱的主要原因。文中對油液在摩擦片間受剪切所產(chǎn)生的功率損耗進行了理論計算和分析研究［5］。

基于牛頓內摩擦定律，其切應力計算表達式:

式中:F為油膜剪切力，N;τ為油膜剪切力，Pa;μ為流體的動力黏度，Pa·s;v為內外摩擦片相對速度或油膜剪切速度，m/s;h為油膜厚度，m;A為承受油膜剪切作用的面積，m2。

盤式摩擦片剪切油膜作用面半徑r處、圓環(huán)寬度dr微小面積上，油膜摩擦損耗功率為［6］:

一對摩擦副剪切油膜消耗的功率為:

式中:P為功率損耗，W;ω為內摩擦片角速度，rad/s;R1為摩擦副有效工作面的內半徑，m;R2為摩擦副有效工作面的外半徑，m。

單位時間內摩擦副產(chǎn)生的熱量為:

假設單位時間內，油液的比熱和密度不隨溫度變化，所有的熱負荷均被潤滑油吸收，根據(jù)熱量平衡［7］，有:

式中:n為摩擦副數(shù)量;C為潤滑油的比熱容，J/(kg·K);q為腔內油液體積，m3;ρ為油液密度，kg/m3;Δt為溫升，℃。

可見，內外摩擦片間具有一定的間隙形成油膜，油膜黏性摩擦會產(chǎn)生大量的熱，且油膜厚度越小，發(fā)熱越大。

通過式 (1)— (5)，可以對摩擦副在濕式條件下運轉時制動器的溫升情況進行估算，也可以作為摩擦副和行程等參數(shù)設計時的溫度校驗。

3 解決辦法

文中不考慮增加強制水冷裝置及配套管路等常規(guī)的散熱方法，而是提出一種通過改進制動器結構來減少其自身發(fā)熱的辦法。

圖2 增加彈簧片位置示意圖

如圖2所示，在每兩片外摩擦片之間，增加一片波形彈簧，這樣，在松閘狀態(tài)下，強迫外摩擦片均勻分開，控制了各片間間隙即油膜厚度，避免了松閘后內外摩擦片黏在一起的可能，從而減少發(fā)熱現(xiàn)象［8］。

通過在同一制動器上加裝彈簧和不加彈簧的對比試驗表明 (表3):加裝彈簧后，溫升顯著下降了19℃，溫度和溫升均控制在規(guī)定值內，且對制動力矩和行程等指標基本不產(chǎn)生影響。

表3 加裝彈簧前、后試驗結果對比

4 結束語

綜上所述，可以得出以下結論:

(1)剪切油膜生熱是濕式液壓制動器最主要的熱源。

(2)油膜厚度越小，油膜剪切消耗功率越大，解決發(fā)熱問題的關鍵是:在制動器結構設計中如何保證行程盡可能在各片間間隙中均勻分布。

(3)摩擦片間加裝波形彈簧，可通過彈簧力克服油液黏度來強迫分離各摩擦片，從而有效地控制制動器松閘運轉時的溫升和發(fā)熱。目前，該項改進技術已推廣使用，并得到了制造廠商和用戶的一致肯定。

［1］煤炭行業(yè)煤礦專用設備標準化技術委員會.MT1149-2011采煤機用制動器技術條件［S］，2011.

［2］王春榮，臧克江，吳佩.液壓傳動［M］.長春:吉林科學技術出版社，2000.

［3］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］韓兆祺.帶式輸送機盤式制動器制動盤溫度測試與分析［J］.煤礦機械，2011(12):217-218.

［5］黃桂，陳飛，李曉亞，等.液粘調速離合器摩擦副傳遞轉矩的計算和熱平衡校核［J］.機床與液壓，2009，37(3):83-84.

［6］郭劉洋，杜明剛.液粘離合器摩擦特性及熱負荷特性研究［J］.摩擦學學報，2011，31(4):324-327.

［7］江云，侯國安，孫濤.液體靜壓導軌熱特性有限元分析［J］.航空精密制造技術，2011，47(5):23-25.

［8］周新建.采煤機濕式多盤制動器的散熱問題［J］.機床與液壓，2004(8):176-177.