ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

铸造技术

FOUNDRYTECHNOLOGYVol.29No.8Aug2008

ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

杨海东,王 瑜,呼靳宏

(内蒙古霍煤鸿骏铝业公司,内蒙古霍林郭勒029200)

摘要:依据数值传热学原理和采煤机液压盘式制动器摩擦系统的结构特点,利用有限元分析软件ANSYS10.0建立了采煤机制动器摩擦片及对偶盘的二维有限元模型,对摩擦片及对偶盘在紧急制动工况下的温升过程进行数值模拟计算,得出制动器温度场的分布状况,分析了瞬态温度场的变化情况,可为进一步研究盘式制动器提供参考。关键词:采煤机制动器;温度场;有限元法;数值模拟

中图分类号:TG132 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2008)08 1020 04

ApplicationofANSYSintheThermalFieldAnalysis

ofCoalCutterBrakeFrictionDisk

YANGHai dong,WANGYu,HUJin hong

(InnerMongoliaHuomeiHongjunAluminumIndustryCompany,Huolinguole029200,China)

Abstract:Accordingtotheheattransfertheoryandcharacteristicofconstructionofcoalcutterbrakefrictiondisc,atwo dimensionalfiniteelementmodeloffrictiondiskandmateplatewasestablishedusingANSYS10.0software,andthetemperatureriseinthefrictiondiskandmateplateduringasuddenbreakwassimulatedthedistributionofthetemperaturefieldwereobtained.Thecharacteristicsoftransienttemperaturefieldareanalyzed.Theinvestigationcanprovidereferenceforfurtherresearchofdiscbrake.

Keywords:Discbrake;Temperaturefield;Finiteelementmethod;Simulation

装配有盘式制动器的采煤机在持续制动或者紧急制动的过程中,其大多数动能通过制动器的摩擦转化为热能,这些热能大部分被摩擦片和对偶盘吸收。摩擦热导致摩擦片温度急剧升高,产生不均匀的温度场,属于瞬态传热。由于紧急制动而产生的瞬时高温,造成热衰退,导致制动性能下降,从而引起生产事故。对采煤机制动器摩擦片及对偶盘的温度场进行计算分析,能为更换制动器摩擦片提供理论依据,降低事故的发生率。

Block在1973年开始对温度场进行研究,他在对制动器温升计算时,粗略地认为对偶盘将全部制动动能均匀吸收,忽略了制动摩擦片的影响,提出了摩擦副表面温度计算的典型模型,即半无限体表面承受单一集中热源,并提出了由摩擦引起的最大表面温升即闪现温度的概念。后来Jaeger发展了这一理论,并提出了矩形形状的移动热源作用在半无限体表面上的数学模型

[1]

行二维瞬态温度场分析,揭示紧急制动或者持续制动工况下摩擦片及对偶盘温度分布规律。1 摩擦片及摩擦盘热传导的数学模型

1.1 基本假设

(1)由于采煤机制动器摩擦片具有轴对称结构,边界条件对称,所以温度场分布也是对称的。根据对称性,认为摩擦片沿厚度方向中间截面处的导热量为零。

(2)系统在运行时,温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化,温度场的分布是瞬态的。

(3)摩擦热全部由摩擦片及对偶盘传递,不考虑介质泄漏所带走的摩擦热。

(4)分析时将摩擦片和对偶盘一起考虑,对摩擦片和对偶盘施加同一热源。摩擦产生的热量由二者共同吸收、传导。

(5)对于摩擦片和对偶盘的任意一个与轴线垂直的表面,温度沿圆环方向等温分布。

基于上述假设,摩擦片及对偶盘的温度场分布随着径向或轴向的位置变化而变化,沿圆环方向等温分,。本文应用有限元分析软件ANSYS10.0对采

煤机中使用的液压盘式制动器中的摩擦片及对偶盘进

收稿日期:2008 04 03; 修订日期:2008 06 27

作者简介:杨海东(1976 ),内蒙古霍林郭勒人,助理工程师.主要从事

.

铸造技术!08/2008

杨海东等:ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

1.2 数学模型

对于空心圆柱形摩擦片和对偶盘,过轴线的截面将摩擦片和对偶盘分成两部分,取其中的一个平面作为研究对象,建立如图1a所示的模型。其中横向为轴向,纵向为径向。

式中 [K]###传导矩阵,包含导热系数、对流系数及

辐射率和形状系数;

[C]###比热矩阵,考虑系统内能的增加;{T}###节点温度向量;{T }###温度对时间的导数;

{Q}###节点热流率向量,包含热生成。2.1 应用ANSYS软件对摩擦片进行热分析

本文针对采煤机用摩擦片和对偶盘分析,在系统运行过程中,其热流密度是随时间变化的,故采用瞬态分析的方法对采煤机紧急制动的工况进行分析,分析过程如图2所示。其中初始温度取环境温度20 ,分析迭代过程所采用的时间步长为0.1s。ANSYS进行热分析计算的基本原理是所处理的对象首先划分成有限个单元(每个单元包含若干个节点),然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度值,继而进一步求解出其他相关量。ANSYS有限元热分析主要包括以下3个步骤。

图1 摩擦片温度场计算示意图

Fig.1 Schematicoftemperaturefieldcalculationoffriction

disc

根据摩擦片和对偶盘的对称性及其工况可知,摩擦盘温度场沿图1a所示模型的点划线轴对称分布,且该线上导热量为零。因此,在实际中以图1b所示为对象进行分析,建立有限元模型。

根据传热学理论以及上述假设,摩擦片的传热问题简化为二维问题,导热微分方程式是:

++ =r x r式中 T###密封环的温度函数,T=T(x,r);

###材料的密度;

C###材料的比热容;k###材料的导热系数;t###时间。

初始条件:t=0,T=T0,T0为初始环境温度。边界条件:

(1)摩擦材料表面的热流密度。假设与制动器连接的转轴由速度 减速至停止, 为角减速度,F为施加在制动盘上的垂直应力,R为摩擦片的半径,K是修

b为能量分配系数,S为接触面积,则摩擦材正系数,!

2

2

(1)

图2 紧急制动时摩擦片温度场计算流程图

Fig.2 Flowchartoftemperaturefieldcalculationoffriction

discduringsuddenbrake

(1)前处理有限元建模和划分网格

根据摩擦片和对偶盘的结构选择适当的坐标位置,用ANSYS软件提供的PREP7前处理

[3]

创建摩擦

料的表面随时间变化的热流密度g(t)为

!bKF( - t)r

q(t)=

2S热系数已知。

2 摩擦片瞬态温度场有限元分析过程

[2]

盘平面A1、摩擦材料平面A2和对偶盘平面A3,再用布尔运算将三平面相加,得到制动器摩擦片温度场分析的几何模型。选择PLANE55四节点四边形单元,材料类型为各向同性,材料特性参数如表1所示。采用ANSYS所提供的MeshTool网格划分工具进行四边形网格划分,其中SmartSize选择1,模型中共有1215个单元,1340个节点。

(2)加载和求解

首先,确定分析类型和分析选项,对制动器摩擦片的有限元模型施加初始条件及边界条件,进入Solution菜单,选择其下级菜单中的ApplyThermal\Heat,(2)

(2)与摩擦片的外径边界相接触介质的温度和换

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程,瞬态温度场不仅是空间域的函数,而且是时间域的函数。在空间域采用插值函数对有限单元进行离散,根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式){

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界条件的数值。对于第三类边界条件,则选Ap plyThermal\Convection,输入对流换热系数及环境温度的值。其次,确定载荷步选项,求解时按照2个载荷步进行求解,由以梯度方式施加到X方向摩擦材料与对偶盘接触处的热流密度定义为第一个载荷步,施加在摩擦片与对偶盘的外沿,用来模拟它们受到的外界对流定载荷定义为第二个载荷步。利用ANSYS提供的求解器进行分析运算。

表1 摩擦制动过程材料特性参数表

Tab.1 Performanceparametersofmaterialsintheprocessof

frictionbrake材料摩擦材料对偶盘

材料密度 /(kg/m3)39607800

比热C/(J/kg )

600448

导热系数k/(W/m )

4.853.0

4所示,自左到右温度由70.3 升高至216.4 ,接着降低至33.6 ,最高温度处正是两者接触面区域上的点。位于接触面左侧摩擦盘上较远处的温度值较低,这是因为制动时间比较短,摩擦热主要在摩擦表面生成,其间热量会通过摩擦材料从外表面向内传导,在很短的制动时间里,热量不能及时通过摩擦盘散发掉,因此摩擦材料表面温度最高。而位于接触面右侧对偶盘的较远处温度值更低,温度下降速度更快。

(3)后处理

选择GeneralPostproc\ByTime/Freq,按照时间/频率读取分析结果,使用POST1通用后处理器观察整个模型在0.3s内的温度分布结果如图3所示,分别绘制0.3s时温度最高点所在轴向、径向的温度分布曲线如图4、图5所示。使用POST26后处理器观察模型中的温度最高点在特定时间内的温度变化。3 温度场计算结果分析

采煤机用盘式制动器在使用过程中受工作环境和条件的影响,其寿命差别很大。为给摩擦片的更换提供重要依据,我们最关心的是制动器的制动频率、次数与摩擦片的损耗情况。对摩擦片和对偶盘的研究我们最关心的是温度场沿轴向、径向分布和热量聚集区,这些因素与摩擦片的损耗有直接关系。摩擦片和对偶盘的温度场分布规律为后续在线检测对偶盘边沿的温度,从而折算出摩擦片的温度奠定了基础。

图4 制动0.3s时摩擦表面温度沿轴向的分布Fig.4 Surfacetemperaturealongaxialdirectionat0.3s

摩擦片和对偶盘表面温度沿径向的分布如图5,摩擦片的温度聚集区位于摩擦材料的外表面,距离摩擦片外径5mm处温度最高,沿此处向外径方向温度递减较快;沿此处向内径方向温度递减缓慢。在径向随着半径的增大,温度有所增加,这是由于半径越大则线速度越快,摩擦片的内热源强度越大,产生的热量越多,从而温度就越高。在靠近接触边界摩擦片的内径和外径处温度较低,中间部分温度较高,这是由于越靠近外边界,对流散热越明显,这个结果也和文献[3]的结果相吻合,越靠近内边界,由于热源强度较小,温度较低;越靠近中间则摩擦制动时产生的内热源强度较大,对流散热越不显著,因而温度越高。该图中,横向坐标1mm和31mm是摩擦片的内径和外径处,在这

图3 制动0.3s时摩擦片截面温度场

Fig.3 Crosssectiontemperaturefieldoffrictiondiscat0.3s

从图3可以看出在制动0.3s时(0.3s是煤矿安全规定标准中的紧急制动时间)摩擦片和对偶盘的温图5 制动0.3s时摩擦表面温度沿径向的分布Fig.5 Surfacetemperaturealongradialdirectionat0.3s

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杨海东等:ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

两处以外的对偶盘表面温度变化较快。表面到外表面不同厚度上的温度值逐渐降低,其原因主要是在持续制动时,内表面吸收的热量大于其散失的热量,所以温度一直在升高,而远离接触面的节点吸收的热量是从接触面的节点经过热传导传递过来的,需要一定的时间,所以其温度总是低于接触面上的节点,距离摩擦材料内表面越远温度越低。4 结论

利用ANSYS软件计算了制动器摩擦片和对偶盘的温度场。ANSYS提供了友好的用户界面,操作简便,简化了计算的过程,提高了计算精度。经试验验证,运用ANSYS10.0软件对采煤机盘式制动器摩擦片的温度场进行计算,计算结果与实测值基本吻合,由此可以认为,利用该方法建立的模型是可行的,计算结果可以作为制动器摩擦片的计算和设计的依据,同时为摩擦片的在线温度检测奠定了基础。这种方法可以在工程实际中加以推广应用,也可以应用到其它领域的传热问题上。

参考文献

[1] 唐旭晟.盘式制动器热 结构非线性分析与计算[D].福

图6 制动0.8s时摩擦片截面温度场

Fig.6 Crosssectiontemperaturefieldoffrictiondiscat0.8s

图7 制动1s时摩擦片截面温度场

Fig.7 Crosssectiontemperaturefieldoffrictiondiscat1s

州:福州大学,2003.

[2] 鲁国富,郭世永.盘式制动器瞬态温度场的数值模拟[J].

机械研究与应用,2006,19(1):31 32,35.

[3] 宋 勇,艾宴清,梁 波,等.精通ANSYS7.0有限元分析

[M].北京:清华大学出版社,2004.

从图3、图6和图7可以看出,在持续制动工况下,摩擦材料表面温度随制动过程逐渐上升,上升幅度越来越小,符合人们的实际经验。沿摩擦片轴向从内