油槽形式對(duì)摩擦副溫度場影響的數(shù)值模擬

張先俊，謝方偉，王存堂，崔建中，宣芮

(江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 前言

液黏傳動(dòng)是一種繼液壓、液力傳動(dòng)之后的新型流體傳動(dòng)形式;它主要是以摩擦副之間的液力傳動(dòng)油作為工作介質(zhì)，通過改變摩擦副間油膜的厚度調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和扭矩并兼有離合功能。液黏傳動(dòng)裝置在摩擦副接合過程中，經(jīng)歷流體摩擦、混合摩擦和邊界摩擦3個(gè)階段。在混合摩擦階段，摩擦副會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使得其表面溫度急劇升高，最終導(dǎo)致摩擦副出現(xiàn)摩擦層燒結(jié)、蝶形翹曲等現(xiàn)象［1］;而油槽對(duì)于摩擦片溫度的分布具有一定影響;因此，有必要研究混合摩擦狀態(tài)下不同油槽結(jié)構(gòu)形式對(duì)摩擦副溫度分布的影響。

國內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)摩擦副結(jié)合過程進(jìn)行了研究。M.M.RAZZQUE，J.Y.JANG［2－3］等采用雷諾方程、能量方程和傳熱方程，研究了表面油槽對(duì)摩擦副的影響作用;謝方偉等［4］在建立了壓力、徑向速度以及傳遞轉(zhuǎn)矩的理論方程基礎(chǔ)上，考慮溫度、壓力波動(dòng)以及油液慣性力對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的影響;崔建中等［5］建立了液黏調(diào)速離合器摩擦副三維瞬態(tài)溫度場模型，研究了多組摩擦副在工作狀態(tài)下的熱特性;曾紅等［6］建立了濕式摩擦離合器接合過程中摩擦片流固耦合瞬態(tài)傳熱模型，得出了摩擦片溫度場徑向和周向溫度分布規(guī)律，同時(shí)分析了不同油槽傾角對(duì)摩擦片瞬態(tài)溫度場的影響。

本文作者以一對(duì)摩擦副為研究對(duì)象，建立了對(duì)偶片、摩擦片的三維模型和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程;分別研究了對(duì)偶片和摩擦片的溫度分布情況。

1 理論模型

摩擦副作為液黏傳動(dòng)裝置的主要零部件，由對(duì)偶鋼片和摩擦片組成。圖1為摩擦副幾何模型。

圖1 摩擦副模型

液黏調(diào)速離合器在混合摩擦階段時(shí)，摩擦副間的轉(zhuǎn)速差較小。主動(dòng)軸輸入的功率一部分轉(zhuǎn)化為輸出轉(zhuǎn)矩，另外一部分以熱量的形式消耗，該部分功率轉(zhuǎn)化成熱量使摩擦片的溫度升高;即熱流密度可表示為［7］

式中:f為對(duì)偶片的摩擦因數(shù)，此處f取0.09;r為摩擦副的半徑，m;w(t)為摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)角速度，rad/s;p(t)為摩擦副表面沿徑向的壓力，MPa。

在混合摩擦階段時(shí)，摩擦副間以微凸體接觸為主，只有極薄的不連續(xù)的油膜;因此，在進(jìn)行熱流密度計(jì)算時(shí)認(rèn)為摩擦副產(chǎn)生熱量大部分傳遞給摩擦副，極小部分由油膜吸收帶走。對(duì)偶鋼片和摩擦片的熱流密度為:

式中:q1、q2為對(duì)偶片、摩擦片表面的熱流密度，W/m2;ρ1、ρ2為對(duì)偶片、摩擦片表面襯片密度，kg/m3;c1、c2為對(duì)偶片、摩擦片表面襯片比熱容，J/(kg·℃);k1，k2為對(duì)偶片、摩擦片表面襯片的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);s為熱流分配系數(shù)，W/(m·℃)。

由于摩擦副間存在極薄的不連續(xù)油膜的冷卻作用，引入修正系數(shù)k

式中k取0.95。

由于對(duì)偶片和摩擦片在接觸區(qū)屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且沒有內(nèi)熱源;構(gòu)建圓柱坐標(biāo)系下對(duì)偶片和摩擦片的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程［8］:

式中:T為對(duì)偶片和摩擦片的溫度。

混合摩擦階段對(duì)偶片和摩擦片的初始條件和邊界條件為:

初始條件:即t=0時(shí)摩擦副的初始溫度T0，

對(duì)偶片邊界條件:

摩擦片襯片邊界條件:

式中:α11、α12為對(duì)偶片內(nèi)、外表面與工作油的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃);α21、α22為摩擦片表面襯片內(nèi)、外表面與工作油的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃);Te為工作油的溫度，℃;T0為初始溫度，℃;h1、h2為對(duì)偶片、摩擦片襯片厚度，m。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 工況分析

文中以礦用大功率帶式輸送機(jī)的液黏傳動(dòng)裝置80 s接合工況為例，對(duì)對(duì)偶片和摩擦片的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行研究。液黏傳動(dòng)裝置最大的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，當(dāng)摩擦副間轉(zhuǎn)速差為30 r/min時(shí)進(jìn)入混合摩擦階段;根據(jù)Harrision啟動(dòng)曲線可得，摩擦片轉(zhuǎn)速達(dá)到1 470 r/min時(shí)與啟動(dòng)曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)為 (72，1 470);對(duì)應(yīng)的混合摩擦?xí)r間為8 s;摩擦副在處于混合摩擦階段時(shí)，摩擦副間的壓力變化范圍取0.8～1.2 MPa，理論計(jì)算取壓力平均變化值1 MPa［9］。

摩擦副中對(duì)偶片材料取65Mn，摩擦片中的摩擦襯片材料取銅基粉末冶金;通過在同種工況下，取同一種材料65Mn的對(duì)偶片，摩擦片表面油槽具有不同結(jié)構(gòu)的情形，對(duì)比分析油槽對(duì)對(duì)偶片和摩擦片的溫度分布情況的影響。

由于各摩擦副的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)基本相同，因此取其中的一對(duì)摩擦副進(jìn)行熱分析;為簡化理論分析做如下假設(shè)［10］:

(1)工作時(shí)作用在對(duì)偶片和摩擦片表面上的正壓力均勻分布。

(2)對(duì)偶片和摩擦片各部分材質(zhì)均勻，熱物理參數(shù)不隨溫度的變化而變化。

(3)摩擦副間的摩擦因數(shù)為一常數(shù)，不隨溫度的變化而變化。

2.2 計(jì)算參數(shù)

對(duì)偶片和摩擦襯片材料參數(shù)如表1所示。

表1 對(duì)偶片和摩擦襯片材料參數(shù)

由上述熱流密度分配比計(jì)算公式得

由熱流密度計(jì)算公式 (2)— (4)可知，轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的熱量59.5%分配到對(duì)偶片表面，40.5%分配到摩擦片表面襯片表面;對(duì)偶片和摩擦片的熱物理性參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2、3所示。

表2 摩擦副的熱物理性能參數(shù)

文中主要研究摩擦片油槽具有4種幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

油槽結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3所示。

表3 摩擦片表面油槽參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 對(duì)偶片溫度場分析

圖3 對(duì)偶片溫度分布圖

圖3為混合摩擦階段為8 s時(shí)對(duì)偶片溫度場及選取的徑向節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線;由圖可以看出，在80 s接合過程中，對(duì)偶片溫度隨著接合時(shí)間增加先升高后降低;溫度在65 s左右達(dá)到峰值。沿對(duì)偶片徑向，溫度逐漸升高;但溫度的最大值并不是出現(xiàn)在最大半徑r=0.18 m處，而是出現(xiàn)在r=0.17 m處;此時(shí)最高溫度值為Tmax=215.848℃。

3.2 摩擦片油槽區(qū)溫度分析

圖4—8為4種結(jié)構(gòu)油槽處的溫度隨時(shí)間變化情況，由圖可以得出，摩擦片油槽區(qū)的溫度隨時(shí)間增加先升高后逐漸降低;溫度在65 s左右時(shí)達(dá)到峰值。對(duì)比圖4、6、8可以看出，5個(gè)周向油槽在油槽處溫度最大值Tmax=134.426℃，4個(gè)周向油槽在油槽處的溫度最大值為Tmax=130.999℃;此時(shí)復(fù)合型油槽在周向油槽處的最大溫度值為Tmax=129.145℃;對(duì)比圖5、7可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)徑向油槽在油槽處溫度的最大值為Tmax=115.141℃，而復(fù)合型油槽在徑向油槽處溫度的最大值為Tmax=100.84℃;由此可見，在同樣工況下采用復(fù)合型油槽結(jié)構(gòu)形式油槽區(qū)溫度值較低。

圖4 5個(gè)周向油槽

圖5 4個(gè)徑向油槽

圖6 4個(gè)周向油槽

圖7 復(fù)合型油槽中徑向油槽

圖8 復(fù)合型油槽中周向油槽

3.3 摩擦片摩擦接觸區(qū)溫度分析

圖9—12為4種油槽結(jié)構(gòu)形式中摩擦接觸處的溫度值隨時(shí)間變化情況，由圖可以發(fā)現(xiàn)，在4種油槽結(jié)構(gòu)形式下，摩擦接觸區(qū)的溫度值均隨著時(shí)間的增加先升高后逐漸降低，在t=65 s左右時(shí)溫度達(dá)到峰值。圖9—12表明，在摩擦接觸區(qū)的最大溫度值分別為Tmax=134.061℃，Tmax=152.27℃，Tmax=132.442℃，Tmax=131.255℃。由此可見，復(fù)合型油槽的摩擦接觸區(qū)最大溫度值相對(duì)其他幾種油槽結(jié)構(gòu)形式較低。

圖9 5個(gè)周向油槽

圖10 4個(gè)徑向油槽

圖11 4個(gè)周向油槽

圖12 復(fù)合型油槽

4 結(jié)論

以大功率帶式輸送機(jī)的液黏傳動(dòng)裝置接合時(shí)間80 s工況為例，對(duì)比分析所提出的復(fù)合型油槽 (徑向+周向)同單一的徑向油槽、周向油槽溫度分布情況，通過分析可以得出以下結(jié)論:

(1)在接合80 s過程中，對(duì)偶片和摩擦片的溫度均隨著時(shí)間的增加先升高后降低;溫度在65 s左右時(shí)達(dá)到峰值。沿徑向方向，溫度逐漸升高，溫度的最大值并不是出現(xiàn)在半徑最大處而是出現(xiàn)在r=0.17 mm左右處。

(2)通過對(duì)比上述4種油槽結(jié)構(gòu)形式可以發(fā)現(xiàn)，油槽處的最大溫度值要低于摩擦接觸區(qū)的最大溫度值;徑向油槽處的溫度降低值相對(duì)周向油槽處更為明顯。

(3)具有復(fù)合型油槽結(jié)構(gòu) (徑向+周向)形式的摩擦片在周向油槽區(qū)、徑向油槽區(qū)和摩擦接觸區(qū)的最大溫度值分別低于單一型油槽在對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度;由此可見，復(fù)合型油槽結(jié)構(gòu)在同等工況下具有更好的冷卻效果。

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