盤式制動器制動片數(shù)量對其溫度場及應力場的影響分析

＊劉 洋

（神華準格爾能源有限責任公司物資供應中心 內蒙古 010300）

引言

盤式制動器與傳統(tǒng)的鉗盤式制動器相比，制動器使用壽命長、制動性能穩(wěn)定、耐磨損、散熱效果好、摩擦副溫度降低顯著，可通過改變彈簧的模量和數(shù)量來獲得不同制動力矩，也可通過改變摩擦盤數(shù)量，獲得不同大小的制動力矩，而不增大徑向尺寸。可實現(xiàn)間隙自動調整，維修方便[1]?，F(xiàn)已大量運用在電鏟、自卸卡車等大型采礦設備中，還可應用于架橋機、水庫提升機、起重機等重型機械設備中。大型礦用機械為了保證作業(yè)過程的安全，多采用盤式制動器作為構成制動系統(tǒng)的關鍵部件，因此在大型電鏟中，盤式制動器俗稱抱閘，是一種失電安全制動器，出現(xiàn)故障容易導致卡車溜車、電鏟掉鏟斗以及溜鏟事故，輕則造成設備財產巨大損失，重則對人身安全造成巨大危害。但礦用機械具有功率大、載荷大的特點，且工作環(huán)境較為惡劣，對盤式制動器的性能提出了很高的要求。在工作制動及緊急安全制動情況下，制動器產生大量的摩擦熱，摩擦副中制動片與對偶件接觸區(qū)域非理想的壓力場分布會影響摩擦熱的生成，形成非均勻分布的溫度場，導致接觸區(qū)域熱應力不一致，進而引起熱應變的差異，反過來影響接觸區(qū)域的壓力場分布，盤式制動器的制動過程是典型的高度非線性的熱-結構耦合的物理過程[2-3]。制動過程中，溫度過高會引發(fā)“制動效能熱衰退”“制動器疲勞破壞”等一系列問題[4]。

1.國內研究現(xiàn)狀

針對制動器熱-結構耦合問題，已有部分學者進行相關研究：制動過程中摩擦生熱會產生不均勻溫度場，制動盤在受熱情況下產生熱彈性變形，從而改變了接觸狀態(tài)和接觸壓力的變化，從理想接觸狀態(tài)轉變成不均勻接觸，明顯影響制動器振動、噪聲特性，同時加速了摩擦磨損[5-6]。黃健萌等[7]針對鉗盤式制動器存在移動式熱源的情況，通過建立溫度/應力場同一的仿真模型，發(fā)現(xiàn)二者存在著耦合關系，并具有周期性變化規(guī)律，這是由于移動熱源產生的熱沖擊和表面對流換熱引起的，并指出熱沖擊是引起制動盤出現(xiàn)熱疲勞裂紋，接觸表面摩擦特性發(fā)生改變的重要因素。張立軍[8]在考慮活塞側和鉗指側制動塊法向力不同作用方式下，建立三維瞬態(tài)熱機耦合動力學有限單元模型，其分析指出摩擦力導致載荷轉移效應的發(fā)生，活塞側與鉗指側的接觸壓力受到結構、法向力和制動盤翹曲變形的綜合影響而截然不同。陸超[9]利用ABAQUS非線性多物理場耦合方法進行制動器熱—結構分析，利用數(shù)值模擬了列車制動過程，同樣得到在摩擦副上溫度與接觸應力表現(xiàn)不均勻分布的規(guī)律。黃曉華[10]利用ABAQUS進行動車制動器的熱-結構分析，采用Goodman-Smith疲勞極限圖對制動盤的疲勞強度進行驗證，將分析獲得的的溫度-應力載荷譜通過Fe-safe軟件開展熱疲勞壽命預測分析研究，通過壽命預測可以制定適應的維護保養(yǎng)計劃，從而避免部分故障、事故的發(fā)生，具有較大的應用價值。李建峰[11]采用熱-結構耦合分析方法，從多個參數(shù)從發(fā)，探索提升機盤式制動器的優(yōu)化方法，以改善盤式制動器的熱應力分布狀態(tài)，減小制動盤最高溫度，延長盤式制動器的使用 壽命。

綜上所述，制動器熱-結構耦合具有重要意義，本文從工程實踐的角度出發(fā)，利用ABAQUS建立摩擦副的熱-結構耦合有限元模型，對制動過程進行仿真模擬，以制動片的數(shù)目為變量，探究其對制動器溫度及應力的影響，為制動器的設計與優(yōu)化提供依據(jù)，具有較強的現(xiàn)實意義。

2.盤式制動器簡介

(1)盤式制動器的作用

本文所研究的盤式制動器位于電鏟車的提升機構、回轉機構、推壓機構以及行走機構中，通常與電機配合完成機構制動，即提升機構、回轉機構、推壓機構以及行走機構先由電機進行制動，電機將運動機構制動到較低速度時，再由盤式制動器進行制動并長期保持，這一情況下盤式制動器被視為“靜態(tài)”制動器。但在特殊情況下，如偶然的電氣失效，電機將失去對各機構的控制能力，此時盤式制動器必須能夠將運動機構停住并保持，在這種工況下，盤式制動器將面臨巨大熱負荷的考驗。這一工況對電鏟車的安全使用存在巨大挑戰(zhàn)，因此本文亦使用該工況條件進行研究。

(2)盤式制動器的工作原理

本文分析的是一種彈簧上閘、氣壓釋放的常閉式盤式制動器，其基本零件包括花鍵軸、殼體、由制動片及基體鉚接形成的制動盤、對偶件、壓盤、氣缸、活塞及壓縮彈簧等?；ㄦI軸通過平鍵及錐面與負載軸連接，制動盤由花鍵軸支承，非制動狀態(tài)下可隨花鍵軸與負載軸一起轉動，對偶件周向始終與殼體保持靜止。制動時，在壓縮彈簧預壓力作用下，壓盤推動制動盤及對偶件沿軸向內移，相互壓緊，由各接觸面的摩擦產生制動力矩；釋放時，氣缸充氣帶動活塞及壓盤外移，在分離彈簧力作用下，制動盤等相互分離，各摩擦面間保持約1mm的間隙，制動盤的旋轉自由度被釋放。

該制動器的結構如圖1所示。

圖1 盤式制動器結構圖

(3)盤式制動器的特點

盤式制動器選用熱膨脹系數(shù)小、比重較輕、強度高、抗沖擊性能好的材料，其中摩擦副材料還需滿足摩擦系數(shù)高、耐高溫、耐磨性好的要求。該型盤式制動器具有結構緊湊，制動力矩大的特點，安全性能好的特點。

3.熱-結構耦合模型的建立

本文采用直接耦合法建立盤式制動器的熱-結構耦合模型，通過將溫度和機械邊界條件賦予模型，直接求解制動器的溫度場和應力場分布[2,10]。本文不考慮材料磨損及熱輻射的影響，同時假定摩擦消耗的能量全部轉化為摩擦熱，摩擦副材料均各向同性[9-10,12]。

制動過程中，熱載荷以熱流密度的形式施加于摩擦表面，并被制動片和對偶件吸收。熱流密度滿足q(x，y，t)=μp(x，y，t)v(x，y，t)，式中，p(x，y，t)為摩擦表面上的比壓，μ為摩擦系數(shù)，v(x，y，t)為制動片及對偶件間的相對移動速度。制動片和對偶件間的熱流分配系數(shù)滿足，式中，k1、c1、ρ1和k2、c2、ρ2分別為制動片和對偶件材料的熱傳導系數(shù)、比熱和密度[2-4,10,12-14]。

制動過程中，存在與周邊空氣以熱對流形式的熱耗散，對流換熱系數(shù)由決定流體特征的雷諾數(shù)Re確定，對流換熱系數(shù)滿足，式中，k3為空氣熱傳導系數(shù)；D為對偶件外直徑[2-4,10,12-14]。

4.有限元仿真模型的建立

(1)ABAQUS簡介

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件，有兩個主求解器模塊-ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard適合求解靜態(tài)和低速動力學問題，這些問題通常都對應力精度有很高的要求，例如墊片密封問題、輪胎穩(wěn)態(tài)滾動問題或復合材料機翼裂紋擴展問題。ABAQUS/Explicit是特別適合于模擬瞬態(tài)動力學為主的問題的有限元產品，ABAQUS/Explicit能夠高效地求解包括接觸在內的非線性問題和許多準靜態(tài)問題。其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS熱-結構耦合分析具有以下特性：穩(wěn)態(tài)響應、瞬態(tài)響應，可采用自適應時間步長、完善的熱傳導邊界條件、材料非線性、熱“接觸”允許接觸面熱流動、強制熱對流，因此本文選擇ABAQUS/Explicit顯示分析方法進行熱-結構耦合的瞬態(tài)響應分析，并定義了與空氣的強制熱對流。

(2)制動器幾何模型的創(chuàng)建

從圖1可以看出本文研究的盤式制動器由多對摩擦副組成，考慮到每對摩擦副的工況相同，若建立完整模型可能出現(xiàn)接觸關系過多，計算量過大，導致計算成本過大，因此進行簡化，取其中一對進行研究。此外還可以看出模型中還有大量花鍵特征、孔特征及鉚接特征，這些特征將給網格劃分帶來困擾，導致網格質量較低，嚴重時可能會導致計算過程因無法收斂而停止，而這些特征在時間較短的瞬態(tài)分析中，對熱傳導的影響極小，因此本文對模型特征做一定簡化，確保仿真模型的有效性。

為研究制動片數(shù)目的影響，本文在摩擦面比壓、總摩擦面積一定的情況下，以制動片數(shù)目N作為變量，研究其對制動器溫度場和應力場分布情況的影響。選取摩擦副作為對象，去除摩擦副中對結果影響較小的特征，在Inventor中建立制動片、對偶件幾何模型（如圖2所示），制動片內、外半徑分別為240mm、317.5mm，對偶件內、外半徑分別為240mm、362.5mm，以.igs格式導入ABAQUS，完成摩擦副的裝配。本文共有3種摩擦副模型，制動片數(shù)目N分別為6、12、18，制動片、對偶件及摩擦副模型分別如圖3所示。

圖2 制動片與對偶件簡化模型

圖3 摩擦副簡化模型

(3)定義材料屬性及參數(shù)

摩擦副中，制動片材料為粉末冶金，密度為5500kg/m3，泊松比為0.3；對偶件材料為HT250，密度7220kg/m3，泊松比為0.3。制動片和對偶件材料的其它性能參數(shù)如表1、表2所示[3]。

表1 制動片材料性能參數(shù)

表2 對偶件材料性能參數(shù)

(4)劃分網格

網格劃分是ABAQUS熱—結構耦合分析的關鍵，對計算精度和計算成本具有重要影響，ABAQUS網格劃分的要點主要在與網格質量、網格密度、網格類型。若網格劃分質量過差，可能導致結果與實際誤差過大而失去意義，嚴重可能會導致計算過程因無法收斂而停止，無法進行計算。網格密度過大可能導致無法準確模擬物理參數(shù)分布情況，結果精度不高，而網格密度過大，會造成計算量急劇增加，顯著增加計算成本，可能出現(xiàn)計算過程長達數(shù)月，不為工程實踐所接受，且與計算精度增加卻不成正比，收獲與付出不匹配，因此網格密度的選擇一定要合理，此外網格類型也要根據(jù)研究問題和計算方法合理選擇，否則可能導致計算結果失真。

本文根據(jù)以往仿真經驗和大量嘗試，最終確定摩擦副模型的合理劃分方式，選取同時具有結構與溫度自由度的C3D8T單元類型，接觸區(qū)域增大網格密度，其余部分減小網格密度，兼顧計算精度與計算效率。以N=18時的摩擦副模型為例，最終網格劃分結果如圖4所示。

圖4 摩擦副有限元網格

(5)賦予分析邊界條件

本文模型中設置兩個動力、溫度-位移、顯式分析步，第一個分析步模擬制動片與對偶件表面接觸，壓力由0增至恒定制動壓力的過程，步長時間較短；第二個分析步模擬制動盤由初始角速度110rad/s勻減速制動至靜止的過程，步長時間較長。整個過程中，制動壓力以壓強形式均勻施加在對偶件非接觸面上，對偶件僅保留軸向的平移自由度，制動片在第一個分析步中被約束全部自由度，在第二個分析步中取消對其周向旋轉自由度的約束，通過與制動片耦合的參考點控制制動片的旋轉，制動初始角速度及幅值曲線施加在參考點上。定義接觸時，設定對偶件表面為主面，制動片表面為從面，熱流在接觸面上生成并分配給接觸部件。同時，設置摩擦副與環(huán)境的熱對流換熱，取環(huán)境溫度為20℃。本文三個模型的邊界條件設置完全一致。

5.溫度場及應力場仿真結果分析

對應N=6、12、18的模型，各自制動片上的溫度分布情況如圖5所示。各模型中制動片上溫度分布情況相似，制動片內部區(qū)域溫度高，四周邊緣部位溫度低，制動過程中最高溫度分別為194.5℃、201.9℃、203.1℃，出現(xiàn)在制動片徑向靠近外側的位置。

圖5 制動片溫度分布圖

對應N=6、12、18的模型，各自制動片上的應力分布情況如圖6所示。各模型中制動片上應力分布情況相似，在靠近制動片外側的部位出現(xiàn)應力低值，制動過程中最大應力值分別為1.52MPa、1.637MPa、1.711MPa。

圖6 制動片應力分布圖

理論上，越靠近外側，相對滑移速率越大，發(fā)熱量越多，同時外側受對流換熱影響較大，故制動片上內部區(qū)域溫度應較高，最高溫度應出現(xiàn)在徑向靠外側的位置，四周邊緣部位溫度相對較低，對應溫度低的部位出現(xiàn)應力低值，仿真結果中溫度、應力的分布情況與理論一致。

6.結束語

通過仿真結果對比分析可知，負載一定時，在總摩擦面積不變的條件下，改變制動片的數(shù)目對制動過程中溫度和應力分布影響較小，可忽略不計；設計時可從制動片加工、裝配難易程度等經濟性角度進行考慮，合理選取制動片數(shù)目。