矿车盘式制动器温度场的数值模拟

赖劼修　张燕

摘 要：采用ABAQUS工程模拟有限元软件对矿车盘式制动器温度场进行数值模拟分析，通过得到不同制动工况下矿车盘式制动器的各摩擦副的温度变化曲线及失效的原因，从而为矿车盘式制动器的设计提供参考依据。

关键词：矿车盘式制动器 温度场数值模拟 有限元分析 ABAQUS

中图分类号：TD5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0069-01

对于矿车中的湿式多盘制动器，其具有制动力强、使用寿命长、磨损小的特点，但是，在制动过程中，容易因摩擦副间的摩擦作用产生热能而导致摩擦盘和冷却油的温度升高，因此，采用基于ABAQUS的湿式多盘制动器的热-机耦合有限元模型分析制动器性能是非常有意义的。

1 矿车盘式制动器有限元模型的建立

建立基于ABAQUS的湿式多盘制动器，其是一套功能比较强大工程模拟有限元软件，主要作用是解决相对简单的线性问题到复杂的非线性问题，基于ABAQUS的湿式制动器的实体模型主要由摩擦盘和对偶盘组成，并且每个摩擦盘主要由1个摩擦芯片和2个摩擦衬片组成，在每个摩擦衬片的两面，均开有8个径向油槽。

2 零部件边界条件及参数分析

2.1 结构参数

对于摩擦盘和对偶盘，其实湿式多盘制动器的核心零部件，制动器的结构参数可参照湿式多盘制动器零部件结构参数，针对ABAQUS有限元软件中Property模块的建立，其可以参照湿式制动器核心零件材料热物性参数来定义摩擦盘和对偶盘的材料属性。

2.2 确定模型传热参数

由于模型中接触对的法向接触属于硬接触，因此，选取与压力相关的热传导系数值为5×107 W/（m2·C）[1]。由于湿式多盘制动器浸在冷却润滑油中将会发生摩擦生热，所以，在模拟分析中，需要充分考虑摩擦表面与环境的对流换热，以及摩擦表面与油槽的对流环热，然而，对流换热系数的选取，一般取决于流体的流动状态、比热容和热导率等流体的物理性质及盘的表面温度和表面形状，本文取对流换热系数为1700 W/（m2·C）。

另外，对于模型运动参数和约束条件的选取，由于摩擦盘主要作减速运动，因此，分析井下工程车辆用的湿式多盘制动器在紧急制动工况和下坡持续制动工况下模型的运动参数，在制动过程中，在偶盘保持不动和摩擦盘作圆周运动的情况下，对偶盘的一面和中间对偶向上轴x，y的自由度进行固定约束，并对对欧盘x，y，z三个方向上施加固定约束，对于建立的两个参考点，需要充分考虑参考点周向旋转的自由度和其余各个方向自由度的约束。

3 盘式制动器温度场数值模拟分析

对于基于ABAQUS湿式多盘制动器的有限元模型分析，采用C3D8RT单元形式进行有限元模型的网格划分，并进行制动器温度场数值模拟。

3.1 紧急制动下温度场数值模拟分析

在紧急制动工况下，根据分析结果表明[1]，对偶盘和摩擦衬片的温度场呈中心对称分布，并且温度较高的区域主要集中在盘面的中部圆环处，其主要原因是在制动过程中摩擦衬片受摩擦热因素的影响小于对偶盘受摩擦因素的热影响，出现这样的现象主要受材料不同的影响，摩擦衬片主要采用烧结的、具有热扩散性能小的青铜材料，在紧急制动工况下，产生的摩擦热是很难在短时间内传递到摩擦到摩擦衬片内部，然而，对偶盘主要采用的是优良的导热材料65Mn钢，在制动过程中，其可以吸收大量的摩擦热。

分析湿式多盘制动器各摩擦副的温度变化曲线，如图1所示，其中，图1中1～6的序号分别表示盘式制动器从施压端至远离端的六对摩擦副，从图1中可以看出，制动器两侧摩擦副的温度低于中间摩擦副的温度，然而，在中间摩擦副中，靠近施压端的摩擦副温度明显高于远离端摩擦副的温度，其主要原因是制动器摩擦副两侧的热传导和热对流等散热条件明显高于中间摩擦副。

3.2 下坡持续制动下的温度场数值模拟分析

在下坡持续制动工况下，需要满足车辆满载、初始速度和制动强度需要维持以20 km/h匀速行驶、在30%坡度情况下需要进行持续制动等条件，通过分析得出，在持续制动状态下，车辆的的制动强度较小，摩擦副之间的热流密度比紧急制动状态下的热流密度小，但是，受制动时间长的影响，在持续制动状态下制动器产生的总热量高于紧急制动状态下的总热量。分析持续制动工况下不同摩擦副温度的变化曲线，如图2所示，其中，图2中的1～4序号分别代表制动器从施压端到远离端的四对摩擦副，从图中可以看出，摩擦副的温度在开始阶段是呈直线上升的，在中后期阶段，其温度保持在180 ℃左右，由此可知，中间摩擦副的温度比制动器两侧摩擦副温度高，热传导作用后，中间摩擦副与两侧摩擦副的温度趋于一致。

4 结语

建立基于ABAQUS的湿式多盘制动器的有限元模型，待制动器的边界条件、结构参数及模型传热参数确定后，分析在紧急制动工况下和下坡持续制动工况下的温度场数值模拟，可得出盘式制动器在热传导作用下和热对流效果下的散热条件比较好。总的来说，分析矿车盘式制动器的数值模拟，为矿车盘式制动器的设计提供了参考依据。

参考文献

[1] 何建成，张文明，姜勇，等.基于ABAQUS的湿式多盘制动器温度场数值模拟分析[J].矿山机械，2012（10）：29-33.

[2] 刘莹，胡育勇，任奇锋，等.基于ANSYS汽车盘式制动器温度场和热应力数值模拟[J].南昌大学学报：工科版，2013（3）：276-280，290.