大型礦車制動器摩擦副熱力間接耦合分析.pdf

1、大型礦車在礦山開采運輸中擔(dān)任著主力作用，制動器則是礦車安全運行的可靠保障。在礦車大型化、智能化和安全化發(fā)展的今天，每年因制動失效原因造成巨大損失，引起人們對制動器安全可靠性的進(jìn)一步重視和研究。制動器在工作中摩擦副連續(xù)生成并較快積聚熱能并產(chǎn)生熱應(yīng)力，容易誘發(fā)制動器摩擦副熱裂紋、熱衰退、熱翹曲等問題，甚至將導(dǎo)致制動器失效，對大型礦車盤式制動器的深入分析和研究引起國內(nèi)外研究者和生產(chǎn)者的關(guān)注。
　　本文以某大型礦車盤式制動器為研究對象，在

2、研究其工作原理和工況的基礎(chǔ)上，采用通用CAE工具軟件ANSYS，用有限元數(shù)值模擬方法，針對某一大型礦車盤式制動器的實際尺寸和工況，建立三維瞬態(tài)有限元模型。在不同工況條件下，運用熱力學(xué)理論，模擬分析了大型礦車盤式制動器溫度和應(yīng)力場，并對溫度場和應(yīng)力場及其分布進(jìn)行詳細(xì)系統(tǒng)的分析。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)介紹了大型礦車及盤式制動器的主要性能參數(shù)及工作方式，總結(jié)了國內(nèi)外盤式制動器熱-力耦合研究現(xiàn)狀及分析了不足，闡述

3、了熱-力耦合相關(guān)的基礎(chǔ)理論，包含摩擦接觸原理、摩擦熱及熱傳遞、熱力耦合方法等相關(guān)基礎(chǔ)理論。
　　(2)結(jié)合某大型礦車盤式制動器的實際參數(shù)，建立了制動器有限網(wǎng)格劃分模型，分析了考慮初始和邊界條件、材料熱物理性等因素，通過循環(huán)等位移的方法施加熱流密度，對多種工況下的制動盤展開溫度狀態(tài)模擬。結(jié)果表明，溫度場的分布具有區(qū)域性、周期性和非軸對稱性的特點，制動盤表面區(qū)域溫度梯度最大，里層節(jié)點有緩慢和較為明顯的升溫滯后現(xiàn)象。不同工況制動時間的不

4、同，溫度最高點峰值的出現(xiàn)時刻也不同，工況制動時間越長，峰值出現(xiàn)的越晚，但溫度最高點峰值大致都出現(xiàn)在制動總時長約3/5的地方，表明制動中后期更容易引起材料的熱膨脹變形且受熱沖擊作用更大，盤表面此時段更易產(chǎn)生裂紋。
　　(3)將不同工況制動盤接觸面點溫度曲線進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)初速度與制動盤表面溫升速度成正比，制動總時長與盤表面最高溫值成反比。緊急工況下溫升速度要高于正常工況，且最高溫值高出160℃左右，總體溫度比正常工況要高，更容易出

5、現(xiàn)熱損傷。制動過程中制動盤表面最高溫度集中在盤、片的摩擦接觸區(qū)域，該區(qū)域節(jié)點溫度在制動過程有震蕩現(xiàn)象，這種制動過程中的周期性熱回蕩沖擊容易引發(fā)熱衰退與熱疲勞使制動器失效。
　　(4)在緊急工況下，對制動器有限元模型下進(jìn)行摩擦副的機(jī)械應(yīng)力分析，制動盤兩側(cè)應(yīng)力與摩擦片的應(yīng)力基本對稱分布，摩擦片尖角區(qū)域應(yīng)力較大而且比較集中。說明可能摩擦片外圍磨損會相對嚴(yán)重一點，側(cè)面也證實了實際情況中對摩擦片邊緣做倒角或弧形處理緩和尖角應(yīng)力的原因。機(jī)械應(yīng)

6、力最高處在制動盤的內(nèi)孔邊緣處值為67.8MPa，遠(yuǎn)低于45Mn的屈服極限；用間接耦合法將溫度場結(jié)果作為體載荷，采用循環(huán)加載溫度場方式來求解熱應(yīng)力場。應(yīng)力云圖呈現(xiàn)環(huán)形分布，但周向分布情況并不對稱，而且分布并不均勻，應(yīng)力隨著制動時間的延續(xù)有向盤內(nèi)和非摩擦區(qū)域移動的趨勢。應(yīng)力出現(xiàn)最早范圍不但存在摩擦區(qū)域內(nèi)，還存在于非摩擦區(qū)孔內(nèi)徑周圍。最小應(yīng)力值發(fā)生于靠近摩擦區(qū)域的環(huán)形帶中?？梢?，在制動盤最小摩擦半徑周向的應(yīng)力梯度比較大，該區(qū)域比較容易引起材料