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全封闭湿式多盘制动器温度场的有限元分析

发布时间:

第 16 卷 第 1 期 2007 年 3 月





M IN IN G & M ET ALLU RG Y

V ol. 16, No. 1 M arch 2007

文章编号: 1005- 7854( 2007) 01- 0057- 04

全封闭湿式多盘制动器温度场的有限元分析
邢玉涛 , 战
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凯 , 刘大维 , 严天一

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( 1 青岛大学机电工程学院, 山东青岛 266071; 2 北京矿冶研究总院, 北京 100044)
摘 要: 建立了全封闭湿式多盘制 动器摩擦 元件的有 限元分析 模型, 针 对摩 擦盘产 生热- 机失稳 现

象, 应用 AN SY S 有限元分析软件对 全封闭 湿式多 盘制动 器初始 接触 压力和 瞬态温 度场进 行了分 析。 有限元分析结果表明, 湿式多盘制动器摩擦界面上的接触压力沿摩擦盘半径方向不均匀分布, 导致了输 入摩擦盘的热流密度分布不均匀; 在制动过程中摩擦盘沿半径方向温度梯度过大, 导致全封闭湿式多盘 制动器对偶摩擦盘的破坏。为提高其使用寿命, 在进行制动器结构设计和摩擦材料的选择时, 应考虑由 热引起的弹性变形对摩擦盘压力场和温度场分布的影响。

关键词: 湿式制动器; 摩擦温度场; 有限元分析 中图分类号: TH142 3; T P391 19 文献标识码: A

FIN IT E E LEM EN T AN ALYSIS OF CLOSE WET MU LT I- DISC BRAK E T EM PERAT U RE FIELD
XING Y u- tao , ZH A N K ai , L I U Da- Wei , Y AN T ian - y i ( 1 College of Mechanical and El ectronic Engineer ing, Qingdao Uni versity , Qi ngdao 266071, Shandong , Chi na; 2 Beij ing Gener al Research I nstit ute of Mi ni ng and Metall urgy , Beij ing 100044, Chi na) ABSTRACT: In this paper, t he finite element model of close w et mult i- disc brake is build T o aim at the t her mal- elastic dest abilizat ion of the disk, the condit ions of contact force betw een t wo discs and t he dist ribution of transient t emperat ure in t he disc are analyzed using ANSYS T he results show t hat contact force bet ween tw o discs along radial direct ion is not homogeneous, w hich result in non- uniform input heat f low densit y of t he f ric t ion disk T he great gradient of t emperat ure along radical direct ion leads to t he distort ion of the f riction disk It is necessary to consider the inf luence of cont act f orce condition and transient t emperat ure dist ribut ion when con st ruct ion desig ning and m aterial selecting KEY WORDS: w et disk brake; frict ion temperat ure field; finit e element

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引 言
全封闭湿式多盘制动器是 20 世纪 80 年代开始

目前国外应用较多的全封闭湿式多盘制动器有 普通型湿式多盘制动器、 湿式多盘失压制动器和多 功能湿式多盘制动器三种。由于摩擦盘间径向衬片 压力分布不合理, 使得摩擦表面产生不均匀的温度 场, 过大的温度梯度会导致过大的热应力而发生摩 擦盘翘曲或热裂现象, 这已成为制动器摩擦副损坏 的主要原因
1

使用的一种先进的制动器, 因它的性能可靠、 结构简 单而逐渐地在工程车辆及井下矿山无轨设备中得到 了广泛的应用。
收稿日期: 2006- 11- 08 作者简介: 邢玉涛, 硕 士研究生, 主要研究 方向: 地 面- 车 辆系 统。

。本文建 立了全封闭湿 式多盘制动

器摩擦元件的有限元分析模 型, 应用 ANSYS 有限 元分析软件对全封闭湿式多盘制动器初始接触压力

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和温度场进行了分析, 为全封闭湿式多盘制动器的 设计及改进提供了参考依据。

此制动器完成, 无需另加停车制动器, 给总体布置带 来方便
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2

结构特点和工作原理
本文研究的制动器为全封闭湿式多盘失压制动

3

有限元分析模型
对于全封闭湿式多盘制动器的定摩擦盘和动摩

器, 结构如图 1 所示。

擦盘被认为是以中心轴对称的, 因此本文使用二维 有限元计算模型, 并基于轴对称假设。 3 1 模型的简化 对于本文研究的湿式多盘制动器二维有限元计 算模型除了轴对称假设外还有其他一些假设: ( 1) 压紧弹簧作用在活塞上的力为均匀分布的 力, 并且均匀分布在弹簧与活塞相接触的区域。 ( 2) 忽略摩擦面上对流换热边界条件, 只考虑摩 擦面上的热流边界条件和摩擦盘内外径柱面上的对 流换热边界条件。 ( 3) 相邻两摩擦偶件在摩擦表面处满足温度连 续条件和热流守恒条件。 对于制动过程中的摩擦盘, 热传导是瞬态过程, 接触表面的热量输入用热流密度来表示: q( r , t) = ! p ( r , t) ! ( t ) ! r ( 1) 式中: 为摩擦系数; p ( r , t ) 为接触表面上沿摩擦 盘径向的接触压力; ( t ) 为摩擦盘之间的相对滑动 角速度。 由式( 1) 可以 看出, 沿摩擦盘径向的接触压力 p ( r , t ) 对热流密度有很大影响, 热流密度直接决 定了摩擦盘温度场的分布, 而不均匀的温度场会导 致摩擦盘出现热弹性变形, 改变摩擦界面间的压力 分布, 这种相互关系形成热- 弹性系统。由于接触 压力分布的不均匀, 局部区域产生较大的热流量, 并 出现较高的温升, 以及较大的热弹性变形, 从而导致 该局部区域的接触压力较其他区域高, 局部热流密 度进一步增大。上述过程的进一步演化往往出现一 种恶性循环现象, 被称为热- 机失稳现象。 3 2 导热数学模型 根据前述假设, 可建立任一摩擦盘的导热偏微 分方程: !C n n
n 2

1 浮动密封环; 2 端盖法兰 ; 3 定片; 4 摩擦片; 5 活塞; 6、7 复合密封; 8 缸体; 9 矩形截面弹簧; 10 连接法兰

图1 Fig 1

湿式多盘制动器的结构

Str ucture of wet multi- disc brake

全封闭湿式多盘失压制动器采用多组摩擦盘, 定摩擦盘和动摩擦盘交错安置, 增加了工作面积, 减 小了单位压力, 可在较小衬片压力下获得较大的制 动力矩; 并且, 摩擦盘工作在全封闭的环境下, 免受 外界温度及粉尘的影响, 工作稳定, 磨损甚微, 使用 中一般免调整; 改变摩擦副的数目即可调整制动力 矩, 易于实现摩擦副的系列化、 标准化; 散热效果好, 工作温度低, 使用寿命长。 动摩擦盘和定摩擦盘均放在缸体内, 动摩擦盘 内缘用花键与轮毂一端外花键配合, 即随轮毂转动 又可轴向移动。定摩擦盘外缘用花键与缸体连接, 只能轴向移动。该制动器安装在驱动桥壳体两端, 靠矩形截面圆柱螺旋弹簧的预压缩力压紧动摩擦盘 和定摩擦盘进行制动, 通过液压力推动制动器内活 塞在缸体内移动, 从而分离动摩擦盘和定摩擦盘解 除制动。全封闭湿式多盘制动器是一种安全型湿式 多盘制动器, 它除了具有普通型湿式多盘制动器的 特点外, 还可以使液压制动系统大大简化, 不需要第 二制动系统。工作制动、 停车制动和紧急制动都由

(

Tn Tn 1 ! + 2 + r r r

2

Tn )= z2

Tn t

( 2)

式中: r 为径向坐标, m; z 为厚度方向坐标, m; t 为 时间坐标, s; T n 为摩擦对偶盘的温度, ? ;
3 n

为摩擦

对偶盘的导热系数, W/ m ? ; ! 为摩擦对偶盘的密 n 度, kg/ m ; C n 为摩擦对偶盘的比热容, J/ kg ? 。为 了得到上述偏微分方程的唯一解, 必须确定边界条 件和初始条件, 通称为定解条件, 与偏微分方程联立

邢玉涛等: 全封闭湿式多盘制动器温度场的有限 元分析

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求解 3 3

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表面的径向坐标, 摩擦热 q ( r , t ) 在有限元计算中 作为接触表面的内热源, 以外载荷的形式施加到接 触表面上。公式( 2) 精确的给出了热流在接触两表 面间的分配比例, 无需再定义两表面之间的热流分 配比例。 本文采用 ANSYS 提供的 P LANE55 热单元对 摩擦盘进行有限元计算。制动工况取满载时制动盘 的角速度 0 = 8 8rad/ s, 分别进行紧急制动和单次 连续制动时的有限元计算。根据有限元计算的接触 压力分布拟合接触压力与摩擦盘半径的关系 p ( r , t ) , 带入公式( 1) 式, 即可得到施加在接触面上的热 流密度载荷 q ( r , t ) ; 摩擦盘的内外径柱面上施加封 闭环境下的对流换热边界条件; 摩擦盘内部热量的 传导通过 定义 传导 系数 来完 成。 境温 度 T 0 = 环 20 ? 。

有限元模型的建立

对全封闭湿式多盘制动器温度场的有限元计算 应由两部分组成: 摩擦盘间的接触压力分布计算和 在此压力分布 下的温度分布 计算
3

。本文根 据湿

式多盘失压制动器的结构特点, 利用 ANSYS 有限 元分析软件建立了该制动器的有限元模型, 模型简 图如图 2 所示。

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图2 Fig . 2 湿式多盘制动器有限元模型简图

有限元计算结果与分析
分别计算紧急制动和持续制动工况下的摩擦界

5 1 初始接触压力分布 面初始接触压力, 持续制动时取制动油压为设计油 压的一半, 即 6MPa。计算结果分别如图 3, 图 4 所 示。

Finite elements mo del of wet multi- disc brake

4

边界条件及载荷的确定
在进行摩擦盘间的接触压力分布计算和摩擦盘

的温度分布计算时, 由于计算方式不同, 所以采用不 同单元和边界条件。 4 1 计算接触压力分布时的边界条件及载荷 初始接触压力的分布与支承盘的结构, 浮动密 封环的轴向支承, 活塞结构, 制动力作用位置以及摩 擦盘材料等因素有关 5 。 本文采用 ANSYS 提供的 PL ANE42 单元, 密封 环用弹簧单元来代替, 支承板的上部施加固定约束; 在两摩擦盘相接触的界面分别建立 TAGE169 目标 单元和 CONT A171 接触单元; 根据轴对称假设和弹 簧力均匀分布的假设, 在活塞上施加均布力; 活塞和 摩擦盘分别限制径向自由度。 4 2 计算接触表面温度分布时的边界条件及载荷 摩擦盘是热的导体, 而定摩擦盘和动摩擦盘的 材料不同, 传热效果也不同, 所以热流密度在两接触 表面之间的分布不均匀。由于制动过程中定摩擦盘 和动摩擦盘始终处于接触状态, 即接触表面满足温 度的连续性, 即: T 1( t , z ) |
z= z#

图 3 紧急制动时接触压力分布 Fig 3 Contact force field of emergency braking

图 4 持续制动时接触压力分布 Fig 4 Contact force field of persistent braking

= T 2( t , z ) | z =

z#

( 3)

由图 3 可以看出各个摩擦界面的接触压力随着 摩擦盘半径的增大而增大, *似与半径 r 成正比关

式中: T 1 和 T 2 为接触表面上的温度分布, z# 为摩擦

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系。这主要是因为紧急制动时压紧弹簧的作用位置 靠*摩擦盘外径处, 使得摩擦盘的外径处压力要比 内径处大。由图 4 可以看出当施加在活塞上的油压 为 6MPa 时, 各个接触界面上的接触压力也随着摩 擦盘半径的增大而增大, 只是增幅没有紧急制动时 增幅大。 5 2 温度场分布 初始接触压力的计算结果显示, 6 对摩 擦副的
图6 Fig . 6 持续制动时温度分布( 制动时间 t = 5. 5s) T emper ature field at the end of persistent braking ( br aking time t = 5. 5s)

初始接触压力分布都与摩擦盘半径成正比关系。因 此, 计算其中一个摩擦盘的两对摩擦副的温度场即 可。本文取中间动摩擦盘的两对摩擦副进行温度场 的有限元计算。 图 5 为 制动器 紧急制 动结束 时( 制 动时间 为 3 1s) 制动盘的温度分布图。由于摩擦盘外径处的 接触压力比内径处的要大, 因此, 制动结束时摩擦盘 的外径处的温度远高于内径处的温度。图 6 为制动 器持续制动结束时 ( 制动时间 为 5 5s) 制动 盘的温 度分布图。从制动开始制动盘的温度一直升高, 同 紧急制动时一样, 温度分布不均匀, 摩擦盘外径处的 温度远高于内径处的温度, 形成很大的温度梯度。

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通过有限元计算结果可以看出湿式多盘制动器 摩擦界面上的接触压力沿摩擦盘半径方向分布不均 匀, 基本与摩擦半径成正比关系, 这导致了输入摩擦 盘的热流密度分布不均匀。通过温度场有限元计算 结果可以看出摩擦盘外径处温度明显高于内径处温 度, 形成很大的温度梯度。这使摩擦盘很容易产生热 - 机失稳现象, 造成摩擦盘的损坏。因此, 在进行制 动器结构设计和摩擦材料的选择时, 应考虑由热引起 弹性变形对摩擦盘压力场和温度场分布的影响。 参考文献:
1 孙东野, 秦大同, 王 玉兴 热 机现象 对湿 式多片 制动 器 设计的影 响[ J] 农业工程学报, 1999( 15) : 147- 150 2 战凯 10t 井下自卸 车的研制[ J] 矿冶, 1996( 5) : 1- 7 3 孙东野, 秦大同 湿式多片制动 器瞬态温 度场有限元 分 析[ J] 中国公路学报, 1998( 11) : 116- 120

图5

紧急制动时温度分布( 制动时间 t= 3. 1s) ( braking time t = 3. 1s)

4 孔祥谦 有限单元法 在传热 学中的 应用[ M ] 学出版社 , 1998: 4- 5

北 京: 科

F ig. 5 T emperatur e field at the end of emer gency br aking

5 阎清东, 宿新东 湿式多片制动 器摩擦衬 片初始压力 分 布研究[ J] 北京理工大学学报, 2000( 20) : 42- 46




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