某危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)制動(dòng)器設(shè)計(jì)及瞬態(tài)傳熱分析

戴海燕，張繼華，李長(zhǎng)玉

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東廣州510800）

汽車(chē)制動(dòng)器在制動(dòng)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生熱衰退而導(dǎo)致制動(dòng)失效，鼓式制動(dòng)器因其結(jié)構(gòu)的原因更容易發(fā)生熱衰退，出于安全考慮，危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)一般采用穩(wěn)定性較好的盤(pán)式制動(dòng)器。盤(pán)式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其散熱情況影響較大，為了獲得更好的盤(pán)式制動(dòng)器抗熱衰退性能，大量的研究人員對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱場(chǎng)進(jìn)行了研究，主要可歸結(jié)如下：

1998年，周志勇等[1]根據(jù)蠕變理論和熱疲勞理論對(duì)盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)的高溫失效機(jī)理和壽命進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析得出：鉆機(jī)、修井機(jī)盤(pán)式制動(dòng)盤(pán)失效是高溫時(shí)熱疲勞和蠕變相結(jié)合的結(jié)果，并提出了其壽命的計(jì)算公式。2007年，張謙等[2]對(duì)高速列車(chē)制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并且利用紅外熱像儀對(duì)制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了溫度場(chǎng)觀測(cè)，在三個(gè)初始速度中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程中溫度的分布，以及各種情況下，不同的溫度數(shù)據(jù)。2008年，韓建榮等[3]對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器利用熱源法計(jì)算出制動(dòng)盤(pán)的溫度場(chǎng)，得出了制動(dòng)盤(pán)的溫度分布，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，并繪制了制動(dòng)盤(pán)不同時(shí)刻相應(yīng)熱變形的對(duì)比曲線(xiàn)。相對(duì)前面兩個(gè)，通過(guò)對(duì)實(shí)踐與理論相結(jié)合的側(cè)重，得到了更準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)。2019年，張婷婷等[4]利用Starccm+計(jì)算出瞬態(tài)狀況下溫度場(chǎng)的變化，建立了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）聯(lián)合仿真模型，為制動(dòng)盤(pán)溫度場(chǎng)的分析提供了一種方法。

從文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn)，對(duì)制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)的研究主要集中在溫度場(chǎng)的變化、溫度對(duì)制動(dòng)盤(pán)的熱變形以及熱失效影響，但是對(duì)于制動(dòng)盤(pán)上每個(gè)點(diǎn)的溫度變化以及制動(dòng)襯片的溫度點(diǎn)變化缺少分析，對(duì)散熱部分以及散熱通孔的設(shè)計(jì)缺少研究分析。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)的盤(pán)式制動(dòng)器，分析了典型制動(dòng)工況下該盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度變化情況、接觸面產(chǎn)熱和表面散熱情況，以及制動(dòng)盤(pán)側(cè)面通風(fēng)孔對(duì)制動(dòng)盤(pán)表面溫度產(chǎn)熱和散熱情況的影響。

1 制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)了三軸式運(yùn)油車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器，底盤(pán)選型EQ1250GSZ5DJ，輪胎規(guī)格數(shù)據(jù)為295/80R22.5，總質(zhì)量為25 000 kg。

1.2 制動(dòng)盤(pán)各參數(shù)的計(jì)算和確定

根據(jù)羅永革等主編的《汽車(chē)設(shè)計(jì)》進(jìn)行剎車(chē)盤(pán)參數(shù)確定。

（1）制動(dòng)盤(pán)直徑D。制動(dòng)盤(pán)在選取時(shí)盡量取大一些，這樣可以增加制動(dòng)盤(pán)的有效半徑，減小制動(dòng)鉗的夾緊力，更好地降低襯塊的單位壓力和剎車(chē)時(shí)溫度的大小。剎車(chē)盤(pán)大小受輪輞直徑的限制，直徑通常為輪輞的70%～90%。經(jīng)計(jì)算，剎車(chē)盤(pán)直徑選為420 mm。

（2）制動(dòng)盤(pán)厚度h。制動(dòng)盤(pán)的厚度對(duì)工作時(shí)的溫度產(chǎn)生和散失有很大影響，為了減少溫升，制動(dòng)盤(pán)的厚度應(yīng)大一些，為了散熱效果更佳，應(yīng)在剎車(chē)盤(pán)表面與側(cè)面增加散熱孔。一般選取實(shí)心制動(dòng)盤(pán)厚度為10～20 mm，通風(fēng)制動(dòng)盤(pán)一般選取20～50 mm，采用較多的為20～30 mm。根據(jù)要求制動(dòng)盤(pán)厚度選為30 mm，側(cè)面通風(fēng)孔厚度為20 mm。

（3）摩擦襯塊外半徑R2與內(nèi)半徑R1。推薦外半徑R2/R1比值≤1.5。若比值偏大，工作時(shí)磨損不均勻。經(jīng)計(jì)算，R1=125 mm，R2=187.5 mm，R2/R1=1.5。

（4）制動(dòng)襯塊工作面積A。制動(dòng)襯塊的設(shè)計(jì)與汽車(chē)質(zhì)量有關(guān)，一般取值范圍在1.6～3.5 kg/cm2。此處取為2.7 kg/cm2。

根據(jù)尺寸繪制設(shè)計(jì)的盤(pán)式制動(dòng)器的三維模型如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)的盤(pán)式制動(dòng)器三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Design ofthree-dimensionalstructureof disc brake

2 制動(dòng)盤(pán)瞬態(tài)傳熱分析

2.1 物理模型建立

為對(duì)該制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)時(shí)溫度變化以及產(chǎn)生和散發(fā)的熱量進(jìn)行分析，建立如下數(shù)學(xué)模型：

式中：ρ為剎車(chē)盤(pán)各材質(zhì)的密度；CP為剎車(chē)盤(pán)各材質(zhì)的恒壓比熱容；u為制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)摩擦片相對(duì)速度；k為制動(dòng)器各位置熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為熱源；Qted為熱彈性阻尼；?為微分算子。

制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)摩擦片均暴露在空氣中進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱，所以邊界條件設(shè)置為

式中：q0為制動(dòng)器外表面對(duì)流產(chǎn)生的熱流量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Tair為空氣溫度。

制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)摩擦片存在輻射傳熱，輻射傳熱情況如下：

式中：Tamb為環(huán)境溫度；ε為表面輻射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)。

整個(gè)制動(dòng)器在制動(dòng)初始t=0時(shí)刻溫度為

2.2 數(shù)值計(jì)算

設(shè)置汽車(chē)行駛的初速度為v0=20 m/s，汽車(chē)制動(dòng)加速度為a=-10 m/s2，車(chē)輪半徑r=0.35 m，在t=2 s時(shí)開(kāi)始剎車(chē)，t=5 s時(shí)剎車(chē)結(jié)束，具體的汽車(chē)制動(dòng)時(shí)速度和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示?？諝鉁囟仍O(shè)置為T(mén)air=300 K，汽車(chē)質(zhì)量為mcar=25 000 kg，制動(dòng)器摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間的摩擦系數(shù)為μ=0.3。計(jì)算式制動(dòng)盤(pán)的表面熱輻射率取值0.8，制動(dòng)摩擦片的熱輻射率取值 0.28[5]。

圖2 制動(dòng)時(shí)汽車(chē)速度隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.2 Relationship between vehicle speed and time when braking

傳熱計(jì)算時(shí)制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)摩擦片的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)器各部件熱物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of each layer

汽車(chē)開(kāi)始制動(dòng)2 s后，剎車(chē)盤(pán)和剎車(chē)片的交界面開(kāi)始發(fā)生接觸，忽略剎車(chē)外部的曳力和其他部件的損耗，剎車(chē)的延遲功率P由汽車(chē)動(dòng)能時(shí)間導(dǎo)數(shù)的負(fù)值給出：

在確定相關(guān)計(jì)算所用到的公式和參數(shù)之后，本文采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，采用comsol軟件對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行自由四面體網(wǎng)格劃分。

2.3 結(jié)果與分析

圖3為初始模型在4 s時(shí)的溫度狀態(tài)，經(jīng)過(guò)剎車(chē)時(shí)間2 s溫度將近上升210 K左右。由圖可見(jiàn)：在該時(shí)刻剎車(chē)盤(pán)中心與外側(cè)溫度變化較低，與剎車(chē)片接觸部分溫度最高，說(shuō)明在該時(shí)刻熱量還未傳達(dá)到剎車(chē)盤(pán)內(nèi)外兩側(cè)。剎車(chē)片下表面的溫度最高，接觸面溫度將近210 K，是該時(shí)刻溫度的最高值。剎車(chē)片有條顏色較淺的白色紋路，說(shuō)明熱量從接觸面開(kāi)始向剎車(chē)襯片表面擴(kuò)散，反映了其熱量由內(nèi)往外的傳遞路徑[6]。

圖3 無(wú)通風(fēng)孔模型4 s時(shí)刻溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram at 4 s of no vent model

圖4為優(yōu)化模型在4 s時(shí)刻的溫度云圖。由圖可見(jiàn)：該時(shí)刻的溫度最高值并未達(dá)到510 K，而是接近450 K，溫度上升幅度可達(dá)150 K，剎車(chē)盤(pán)內(nèi)側(cè)溫度變化較小，在300 K左右，而外側(cè)變化較于明顯，在400～450 K范圍之內(nèi)[7]。剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片的接觸面溫度變化明顯，達(dá)到制動(dòng)盤(pán)溫度的最高值，剎車(chē)片上中間的顏色比兩邊淺，所以中間溫度比兩側(cè)高，變化明顯。

圖4 有通風(fēng)孔模型4 s時(shí)刻溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of ventilation hole model at 4 s

基于4 s時(shí)刻的兩個(gè)模型溫度云圖，相對(duì)于無(wú)通風(fēng)孔的模型，可以看出有通孔模型的剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片所達(dá)到的溫度較低，最高溫度差值將近60 K左右。相對(duì)于溫度來(lái)說(shuō)，優(yōu)化后的模型在溫度降低方面有很大提高。再?gòu)臏囟确植紶顩r可以發(fā)現(xiàn)：無(wú)通風(fēng)孔的模型溫度傳遞較慢，內(nèi)外兩側(cè)與接觸面溫差較大，致使制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)時(shí)，熱量得不到很好地傳遞，造成制動(dòng)盤(pán)熱失效；有通風(fēng)孔的模型，溫度分布較均勻，大大提升了熱量的傳遞效率，對(duì)制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)時(shí)的散熱有了明顯提高。通過(guò)圖3和圖4的溫度云圖對(duì)比，證實(shí)了通風(fēng)孔設(shè)計(jì)的實(shí)用性，對(duì)熱疲勞有良好的調(diào)控[8]。

圖5表示了無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。A，C，D實(shí)線(xiàn)分別為無(wú)通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)；B，E，F(xiàn)虛線(xiàn)分別為有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片接觸面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。

圖5 不同模型接觸面各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.5 Temperature variation with time at various points of contact surface of different models

由圖5可以看出：在2～4 s溫度急劇上升，無(wú)論實(shí)線(xiàn)虛線(xiàn)在4 s時(shí)刻達(dá)到最高值480 K，4 s之后開(kāi)始逐漸降溫至室溫。兩者溫度比較而言，有通風(fēng)孔的模型三個(gè)點(diǎn)所達(dá)到的溫度都小于無(wú)通風(fēng)孔的模型，所以從接觸面的分析可知，給剎車(chē)盤(pán)加通風(fēng)孔能夠有效降低剎車(chē)盤(pán)的溫度。

圖6為無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。A，C，D實(shí)線(xiàn)分別為無(wú)通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)與剎車(chē)片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)；B，E，F(xiàn)虛線(xiàn)分別為剎車(chē)片上表面的中心點(diǎn)、內(nèi)側(cè)點(diǎn)和外側(cè)點(diǎn)三點(diǎn)。由圖可見(jiàn)：4 s之后溫度開(kāi)始上升，無(wú)論實(shí)線(xiàn)虛線(xiàn)，在4～15 s溫度一直上升，實(shí)線(xiàn)的上升速率和達(dá)到的溫度都比虛線(xiàn)快且高；在剎車(chē)盤(pán)加上通風(fēng)口之后，摩擦襯片達(dá)到的溫度也大大降低，熱量從接觸面到摩擦襯片上表面的傳遞變少[9]。

圖7為無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)表面的溫度變化。圖中，A，C實(shí)線(xiàn)分別為無(wú)通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)表面的兩點(diǎn)，B，D虛線(xiàn)分別為有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)上表面的兩點(diǎn)。由圖可見(jiàn)：A，C兩條線(xiàn)2 s之后溫度開(kāi)始上升，3 s時(shí)達(dá)到最高值；B，D兩條虛線(xiàn)在2.5 s開(kāi)始增溫，在5.5 s達(dá)到最高值。兩者比較可知，B，D兩條虛線(xiàn)的最高值低于實(shí)線(xiàn)。數(shù)據(jù)可以說(shuō)明，制動(dòng)盤(pán)開(kāi)通風(fēng)孔對(duì)于制動(dòng)盤(pán)有明顯的降溫效果。

圖6 不同模型剎車(chē)襯片上表面各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.6 Temperature variation of various points on the surface of different models of brake linings with time

圖7 不同模型制動(dòng)盤(pán)表面兩點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.7 Temperature variation of two points on the surface of brake disc with time in different models

圖8為無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)的產(chǎn)熱及散熱趨勢(shì)（為了使對(duì)比的結(jié)果顯著區(qū)分，對(duì)產(chǎn)熱和散熱取以10為底的對(duì)數(shù)）。

圖8 不同模型產(chǎn)熱散熱隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖[11]Fig.8 Curves of heat generation and heat dissipation with time for different models[11]

由圖8可知：A，B為無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)的產(chǎn)熱及散熱，C，D為無(wú)通風(fēng)孔模型和有通風(fēng)孔模型剎車(chē)盤(pán)的產(chǎn)熱及散熱。由圖可見(jiàn)，4條曲線(xiàn)從第2 s開(kāi)始熱量急劇上升，在2.5 s時(shí)熱量上升減緩，在5 s左右開(kāi)始與X軸平行，不再繼續(xù)產(chǎn)熱。無(wú)通風(fēng)孔模型與有通風(fēng)孔模型產(chǎn)熱相同，而有通風(fēng)孔模型的散熱相對(duì)于無(wú)通風(fēng)孔模型提高明顯，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)有較好的保護(hù)，提高了車(chē)輛的安全性[10]。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種剎車(chē)盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)兩者進(jìn)行了分析和比較，可明顯地看出優(yōu)化的效果。結(jié)論如下：①在質(zhì)量方面，優(yōu)化的模型節(jié)省了許多材料，降低了生產(chǎn)成本，減少了運(yùn)輸車(chē)總質(zhì)量；②在溫度方面，大大降低了制動(dòng)盤(pán)剎車(chē)時(shí)所產(chǎn)生的溫度，提高了剎車(chē)盤(pán)的壽命，優(yōu)化了剎車(chē)盤(pán)剎車(chē)時(shí)的失效性；③剎車(chē)盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其側(cè)面或表面開(kāi)孔，有助于散熱性能的提升。