單軌吊液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

陳繼濤　陳玉水

【摘 要】對(duì)單軌吊液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，確定了液壓結(jié)構(gòu)布置方式與制動(dòng)參數(shù)，并基于COMSOL對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行了瞬態(tài)溫度場分析，通過對(duì)單軌吊液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，保證了系統(tǒng)制動(dòng)能力。

【關(guān)鍵詞】單軌吊；液壓制動(dòng)；溫度場

目前，盤式制動(dòng)在單軌吊制動(dòng)系統(tǒng)中越來越廣泛，其在制動(dòng)過程中的制動(dòng)力矩較大，散熱效果理想，在運(yùn)動(dòng)方向上不會(huì)影響制動(dòng)能力[1]。為了進(jìn)一步保證和提升系統(tǒng)的制動(dòng)安全性，文中對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析與數(shù)值模擬，這對(duì)于單軌吊工作的穩(wěn)定性有著重要的意義。

1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

一般地，液壓制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)流體回路的數(shù)量分為兩種：單回路與雙回路[2]。其中，單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但是可靠性能存在不足，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象時(shí)，無法使用備用的制動(dòng)系統(tǒng)，存在一定的安全隱患。因此，在很多設(shè)備的制動(dòng)系統(tǒng)中，已經(jīng)不允許單回路制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，文中對(duì)于單軌吊液壓制動(dòng)系統(tǒng)，采用雙回路制動(dòng)。

在雙回路制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)力主要由液壓缸實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)主缸內(nèi)的油液壓力直接決定了系統(tǒng)的最大制動(dòng)力矩，文中在雙回路系統(tǒng)中，采用將主缸串聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在液壓制動(dòng)過程中，當(dāng)主制動(dòng)回路出現(xiàn)漏油等故障時(shí)，備用液壓缸能夠正常工作，主制動(dòng)液壓缸中的活塞桿的頂桿接觸到備用活塞時(shí)，備用液壓缸中的油壓將迅速升高，達(dá)到制動(dòng)載荷。對(duì)于雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，在可靠性與安全性上具有較大的優(yōu)勢，但是在一定程度上講增大制動(dòng)行程，影響效率[3]。

1.2 參數(shù)計(jì)算

單軌道在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)中的活塞能夠通過液壓動(dòng)力推動(dòng)摩擦片壓向制動(dòng)盤，摩擦片與制動(dòng)盤的摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩使單軌吊制動(dòng)，其制動(dòng)原理如圖1所示。

式中，f為制動(dòng)盤與摩擦片摩擦系數(shù)，N為摩擦片對(duì)制動(dòng)盤的單側(cè)壓力，R為作用半徑。選擇制動(dòng)盤材料45Mn，摩擦片為粉末冶金材料。

2 制動(dòng)仿真

文中通過多物理場耦合軟件COMSOL，對(duì)單軌吊制動(dòng)盤進(jìn)行長時(shí)間（100s）制動(dòng)模擬[4]，其中，模型省略了法蘭結(jié)構(gòu)中的螺孔，其制動(dòng)力由參數(shù)計(jì)算獲取，為了得到初始制動(dòng)壓力，假定摩擦系數(shù)不變，取在20℃的溫度下的摩擦系數(shù)0.25。最終得到瞬態(tài)溫度場云圖如圖3所示，提取制動(dòng)器最高溫度變化如圖3所示。從仿真分析結(jié)果中可以看出，在制動(dòng)初始狀態(tài)時(shí)，由于摩擦生熱作用，瞬時(shí)最高溫度在接觸區(qū)的切入端產(chǎn)生，并隨著熱傳導(dǎo)作用，高溫分布區(qū)域向制動(dòng)盤的外徑方向延伸。在整個(gè)制動(dòng)過程中，溫度場為非對(duì)稱分布，由于接觸區(qū)域之間的摩擦生熱速率要比制動(dòng)盤材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)的速率大，在制動(dòng)停止之前，接觸位置處的溫度一直高于其他位置，通過溫度場的特性能夠推斷出制動(dòng)盤的結(jié)構(gòu)屬性。

為了研究摩擦副面積對(duì)于溫度場的影響[5]，文中將摩擦片夾角作為參變量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：當(dāng)摩擦片與制動(dòng)盤之間的接觸面積減小時(shí)，摩擦副產(chǎn)生的熱量減少，但是，由于摩擦片的表面積較小，其實(shí)際散熱面積減小，導(dǎo)致其極限溫度略有升高。對(duì)于單軌吊制動(dòng)系統(tǒng)而言，制動(dòng)結(jié)構(gòu)的緊湊型對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安裝、維護(hù)更加重要，因此，在保證制動(dòng)溫度可靠的前提下，可以通過減小摩擦片夾角進(jìn)行制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 結(jié)語

單軌吊的液壓制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于單軌吊的安全性和可靠性均有著重要的意義，文中針對(duì)液壓制動(dòng)的特點(diǎn)，選取雙回路制動(dòng)，通過參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)出保證系統(tǒng)正常工作下制動(dòng)力矩，最后基于COMSOL的瞬態(tài)溫度場分析，得出了制動(dòng)器的溫度分布特性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]蔣京，夏群生，等.盤式制動(dòng)器重復(fù)制動(dòng)溫度計(jì)算[J].汽車工程，1996，18（3）：168-174.

[2]羅勇，寇子明.單軌吊液壓系統(tǒng)建模與仿真[J].機(jī)械管理開發(fā)，2004（9）.

[3]王開松，王修宏.在綜采工作面順槽采用單軌吊[J].煤礦機(jī)電，2004（3）.

[4]吳婧斯，萬里翔，張新. 緊急制動(dòng)工況下汽車盤式制動(dòng)器溫度場和熱應(yīng)力場仿真分析[J]. 北京汽車，2010，06：30-33.

[5]趙海燕，張海泉，湯曉華，林健，蔡志鵬. 快速列車盤型制動(dòng)熱過程有限元分析[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，05：589-592.

[責(zé)任編輯：曹明明]