基于ANSYS摩擦材料性能對起重機盤式制動器溫度場的研究

高志柯，李向東，胡洪洋

（1. 江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210000；2. 河南工學院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

盤式制動器具有穩(wěn)定的制動性能和良好的散熱性能，因此在工業(yè)領域被廣泛應用，如起重機行業(yè)，但在制動過程中帶來的溫升及其熱衰退現(xiàn)象所引發(fā)的制動力矩下降嚴重影響其制動性能，進而帶來危險，因此必須加以控制研究。制動盤片材料性能指標及其匹配性對制動摩擦過程的生熱和散熱均有著重要的決定性作用，因此研究材料性能對制動器溫升的影響，將對起重機盤式制動器制動性能的提高和安全事故的預防有著重要的理論指導意義。

1 材料性能對摩擦過程的影響

1.1 熱流密度及其分配

制動器的間接熱機耦合分析是先把熱流轉(zhuǎn)化為熱流密度施加于盤上與襯塊接觸區(qū)域上來代替摩擦轉(zhuǎn)動，分析時可將制動盤視為固定，摩擦襯塊沿軸心轉(zhuǎn)動。據(jù)熱流密度定義可知，熱流密度即吸收的熱量與微小接觸面積的比值。制動摩擦熱量95%傳遞給盤片，但由于二者的散熱相關特征值之間存在著相當大的不同，故要對熱流密度如何分配這一問題重新進行計算。盤所占能量在總的生成熱量中所占的份額是η，所以r處的熱流密度可表示為

2 制動熱機耦合基礎

2.1 建立模型的簡化及假設

制動盤兩側(cè)都是采用對稱布置的，只需要考慮1/2模型即可。其工作環(huán)境比較復雜，將所有因素考慮進去不太現(xiàn)實。間接熱機耦合是以將熱流密度加載到制動盤上的方式實現(xiàn)的，故只需建立制動盤的簡化模型，忽略臺架、退刀槽、凸臺、細孔及安裝吊耳等對溫度場仿真影響很小的結(jié)構，并假定：環(huán)境溫度在制動過程始終穩(wěn)定在25℃，且盤的初始條件與此相同；制動比壓在制動過程中始終為均勻穩(wěn)定狀態(tài)；制動材料具有各向同性且摩擦系數(shù)或制動力矩不會隨溫度變化而改變；摩擦副的接觸區(qū)域較為理想，不考慮制動引起的翹曲、磨損和熱裂紋破壞問題。

2.2 制動力矩和制動比壓的計算

以型號YZS380/80-21A8鑄造起重機起升用盤式制動器為例，作用在起升卷筒卷筒軸上的靜力矩

經(jīng)計算得出其制動比壓為0.75Pa。

圖1 盤片摩擦示意圖

2.3 實體模型的建立和網(wǎng)格劃分

制動盤的尺寸以及二者的材料特性和相關參數(shù)見表1和表2。

表1 盤式制動器模型尺寸

表2 制動盤和摩擦襯塊材料特性

采用間接耦合仿真法，首先考慮單純熱分析，在模型建立時使用SURF152用于施加熱流率，定義SOLID70實現(xiàn)熱仿真的求解。制動盤網(wǎng)格劃分的好壞對于熱流密度的施加至關重要，考慮摩擦熱的產(chǎn)生主要是在制動盤表面與摩擦襯塊接觸的圓環(huán)位置，如若直接平均劃分網(wǎng)格，則不利于其熱流密度的施加。故模型分為內(nèi)圈、摩擦圈和外圈，并按表2設定材料參數(shù)，模型建立好后采用六面體網(wǎng)格進行劃分，將整個制動盤分為3個部分，如圖2建立模型并劃分網(wǎng)格。

圖2 有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

3 制動溫度場仿真結(jié)果

經(jīng)有限元仿真可得到直觀的溫度場分布情況，如圖3是制動末期制動盤表面和徑向截面的溫度場云圖。

圖3 制動末期溫度場徑向分布

從溫度場分布情況可以得出，盤片接觸位置溫升值最高。制動盤片之間在接觸相交面上相互摩擦瞬間帶來巨大的熱能，因為生熱速度大于向空氣和盤內(nèi)部其它部位散熱速度，導致制動盤摩擦接觸位置溫度產(chǎn)生快速上升，在制動末期盤內(nèi)最高溫度值達到249.64℃。因制動時間較短，熱量未能及時散發(fā)出去，故非摩擦區(qū)域溫升較小，相對于摩擦區(qū)域表面的溫升，徑向溫升比較緩慢且最高溫度也達不到表面的最高溫度，導致內(nèi)外不同位置溫差明顯，這也是導致熱疲勞破壞的根本原因。

圖4 0～3.4s制動盤表面溫升曲線

由ANSYS得到的溫升曲線（見圖4）可知，制動盤表面在制動開始階段產(chǎn)生一個快速的溫升，而隨著制動的進行，溫升速度逐漸降低，在制動即將結(jié)束前制動盤的溫度呈下降趨勢。出現(xiàn)這種狀況是因為制動盤的轉(zhuǎn)速隨制動進行會逐漸降低，熱流輸入密度隨之減小，到制動末期，轉(zhuǎn)速很小，由制動摩擦瞬間產(chǎn)生的熱量也就很小，當產(chǎn)熱量低于散熱量時，就會出現(xiàn)溫度曲線下降的現(xiàn)象。

4 摩擦材料性能對溫度場的影響

為探究制動盤材料性能差異對溫升的影響效果，在ANSYS中先后采用相關參數(shù)如表3中的幾組球墨鑄鐵盤和鋼制動盤實現(xiàn)制動仿真，模擬過程中保持制動力矩、制動時間等條件一致，溫度場仿真結(jié)果如圖5所示。

表3 制動盤材料特性

圖5 不同材料制動盤緊急制動溫度場分布

從圖5的溫度場分布情況及圖6制動盤溫升曲線可以看出，選用的鑄鋼制動盤溫升明顯高于球鐵制動盤，1號球鐵制動盤溫升低于2號和3號球鐵盤，其原因主要和導溫系數(shù)α有關

其中：λ指導熱系數(shù)；ρ指制動盤密度；c指比熱容。

由于鑄鋼制動盤的密度較大，導熱系數(shù)較小，導致盤的散熱能力較弱，又根據(jù)分析可知，摩擦生成的熱量多少與密度呈正比關系，故相同規(guī)格的制動盤，鑄鋼盤比球鐵盤摩擦產(chǎn)生熱能更大，因此最終的溫升出現(xiàn)圖6所示規(guī)律。由于采用的1、2、3號球鐵盤密度相差不大，所以溫升曲線比較接近，1號球鐵盤由于導熱系數(shù)較大，比熱容較小，導致其散熱能力較強，雖然密度相比其它2個球鐵盤略大，生熱量稍大，但熱量不易積聚，很快被傳遞給盤的其它部位及空氣中，所以從溫升曲線上看，1號球鐵盤要低于2號和3號盤。因此，選用制動盤材料時，不僅要看材料的密度和彈性模量，而且材料的散熱性能指標也十分重要，特別是比熱容和導熱系數(shù)，往往這些特性參數(shù)決定了制動器的制動性能好壞。

圖6 不同材料制動盤溫升曲線

5 結(jié)論

本文利用ANSYS軟件對起重機用盤式制動器在不同參數(shù)材料匹配情況下進行了制動熱機耦合仿真，結(jié)果表明，盤密度越大及導熱系數(shù)越小得到的溫升越高；制動盤片之間內(nèi)外和不同位置溫差比較明顯，這也是導致熱疲勞破壞的根本原因。

［1］ 孟祥寶. 基于ANSYS的制動器摩擦生熱分析［D］.延安：延邊大學，2014．

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