礦用濕式多盤制動器工作原理及溫升特性

代立明

（山西天地煤機裝備有限公司，山西太原市030006）

0 引言

煤礦井下使用的無規(guī)輔助運輸車輛處于非常惡劣的環(huán)境當中，工況也比較特殊，其使用的制動器不僅要有良好的制動性能，還須具備可靠的安全性和抗污染性。全封閉濕式多盤制動器防水防塵，散熱效果良好，制動性能穩(wěn)定，制動力矩大，耐磨損使用壽命長，目前礦上使用的輕型車廣泛采用濕式多盤制動器。濕式多盤制動器在車輛制動時會產生大量熱能，如果設計制動器時對其內部溫升考慮不到位，就會使制動器內部的溫度上升過高，使油質變壞，引起積炭，使制動器性能下降，給安全生產留下隱患。因此為了使制動器工作正常，設計制動器時必須進行溫升校核，以保證制動器在正常的溫度下安全工作。

1 濕式多盤制動器的結構及工作原理

礦上廣泛使用的濕式多盤制動器的結構如圖1 所示，主要由動殼、靜殼、壓盤、活塞、動摩擦片、靜摩擦片等零件組成[1]。

該制動器摩擦片一半以上的面積浸在潤滑油中，同時摩擦片上開有許多螺旋溝槽，車輛制動時摩擦片摩擦產生的大部分熱量將通過潤滑油及殼體散發(fā)出去，使制動器不會因為內部溫度過高而損壞元件[2]。

動摩擦片內緣通過花鍵與動殼連接，可隨動殼一起轉動，并可沿軸向左右移動。靜摩擦片外緣通過花鍵與靜殼連接，不可轉動但也可沿軸向左右移動。當制動器實施制動時，踩下制動踏板，制動系統(tǒng)的高壓油進入制動器的活塞腔中，在油壓作用下，復位彈簧被壓縮，活塞向左移動將動摩擦片和靜摩擦片壓緊，從而實施制動。當松開制動踏板后，活塞腔內的液壓油回到液壓油箱，活塞在復位彈簧的作用下回位，動摩擦片和靜摩擦片分離，制動解除。

圖1

2 濕式多盤制動器冷卻方式及散熱途徑

2.1 冷卻方式

目前礦用濕式多盤制動器的冷卻降溫主要依靠油液的循環(huán)。冷卻方式可根據(jù)制動器的工作環(huán)境及制動的頻繁狀況分為自行冷卻和強制油液循環(huán)冷卻兩種方式[3]。自行冷卻方式主要是依靠制動器內部的潤滑油及殼體將其產生的熱量散發(fā)。強制冷卻方式是將外部的冷卻液引入制動器，冷卻液流過摩擦盤后再流出制動器，將制動器制動時產生的熱量帶走。其中強制冷卻方式又分為：軸心式冷卻方式、浸油式冷卻方式和滴油或噴油式冷卻方式。自行冷卻方式適用于制動不太頻繁而制動器本身散熱就已經(jīng)足夠的場合，結構簡單但冷卻能力相對較弱。強制冷卻方式適用于制動頻繁而制動器本身散熱不足的場合，結構復雜但冷卻能力相對較強。

2.2 散熱途徑

濕式多盤制動器與干式制動器不同，其特點是濕式多盤制動器工作在浸滿冷卻液的封閉環(huán)境中。冷卻液在離心力的作用下，通過摩擦片表面的螺旋溝槽，不斷地由摩擦片內徑端流向外徑端，同時將制動器制動過程中因摩擦產生的熱量帶走，從而大大降低了制動器的故障率。

濕式多盤制動器主要通過兩個途徑來散熱[4]：一是通過流體與摩擦副之間對流散熱，流體將熱量帶到邊緣與殼體進行熱交換，殼體熱量通過自行冷卻或強制冷卻方式將熱量散掉；二是通過導熱的方式將制動器產生的熱量傳到其它連接件，降低自身溫度。

3 濕式多盤制動器冷卻系統(tǒng)設計

根據(jù)能量守恒原理，濕式多盤制動器中固定盤和轉動摩擦片之間的摩擦力矩所消耗的功等于車輛的制動能量，車輛的制動能量等于車輛的動能與勢能之和[5]。

式中 E——車輛制動時產生的總能量，J

Ei——車輛制動時產生的動能，J

Ej——車輛制動時產生的勢能，J

vi——車輛制動前的初速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

hj——路面斜坡高度，m

m——車輛的平均質量，kg

式中 m1——車輛空車質量，kg

m2——車輛滿載質量，kg

假設實際工作中所使用的車輛前后輪共有4 個濕式多盤制動器，在制動時每個制動器每秒所產生的總熱量為

式中 Q1——每個制動器每秒產生的總熱量，J/s

T——制動循環(huán)工作周期，s

先根據(jù)強制冷卻方式計算。假設外界的環(huán)境溫度為t0，流入制動器的冷卻液溫度為t1，允許流出制動器的冷卻液溫度為t2，則制動器在制動過程中產生的熱量，一部分使冷卻液溫度從t1上升至t2，另一部分經(jīng)過制動器殼體散發(fā)到外界環(huán)境中去，可得出強制冷卻時濕式多盤制動器內部油液溫升計算的數(shù)學模型[6]為：

式中 Q2——單個制動器的散熱能力，J/s

C——油的比熱，J/（kg℃）

Q——流經(jīng)一個制動器的冷卻油量，m3/s

μ——制動器的散熱系數(shù)，J/（m2.s.℃）

ρ——油的質量密度，kg/m3

A——單個制動器的散熱面積，m2

根據(jù)熱平衡原理，即Q1=Q2，求得每個制動器油的流量為

在上式中，如果E-4μT（t2-t0）A≤0，則該制動器可采用自冷式制動器；如果兩者之差＞0 則該制動器必須采用強制冷卻的制動器。

4 實例計算

根據(jù)上面得出的結論，以礦上使用的某種輕型車為例：該車在12°的坡道上以10 km/h 的速度勻速行駛500 m,其余主要參數(shù)為：m1=3600 kg，m2=5600 kg，v=2.78 m/s，T=180 s,t0=27℃,t1=27℃,t2=80℃,μ=465J/（m2.s.℃），A=0.44 m2，根據(jù)以上提供的參數(shù)可知

由以上數(shù)據(jù)得知E-4 μT（t2-t0）A≤0，該制動器可采用自冷式冷卻方式。所以目前礦上廣泛使用的某種輕型車制動器的冷卻系統(tǒng)符合設計要求。

5 結論

根據(jù)上面的結論，可以看出對于整車質量不是很大，制動不太頻繁的濕式多盤制動器的冷卻系統(tǒng)完全可采用自冷式冷卻方式。同時我們也得出自冷式濕式多盤制動器內部的熱量主要通過潤滑油和制動器表面散發(fā)到空氣中。兩者熱量散發(fā)的多少直接影響制動器的溫升。為了使制動器內部的溫度不至于過高而影響制動器的性能，我們可采用提高制動器傳熱性能的方法來提高制動器的散熱能力。如可使用特殊添加劑來改變濕式多盤制動器的內部物理特性，也可改變換熱面的大小、形狀及其表面狀況，來提高散熱效果[4]。另外，提高濕式多盤制動器表面的清潔度也可以提高濕式多盤制動器的散熱效果。