矿用湿式多盘制动器工作原理及温升特性

代立明

（山西天地煤机装备有限公司，山西太原市030006）

0 引言

煤矿井下使用的无规辅助运输车辆处于非常恶劣的环境当中，工况也比较特殊，其使用的制动器不仅要有良好的制动性能，还须具备可靠的安全性和抗污染性。全封闭湿式多盘制动器防水防尘，散热效果良好，制动性能稳定，制动力矩大，耐磨损使用寿命长，目前矿上使用的轻型车广泛采用湿式多盘制动器。湿式多盘制动器在车辆制动时会产生大量热能，如果设计制动器时对其内部温升考虑不到位，就会使制动器内部的温度上升过高，使油质变坏，引起积炭，使制动器性能下降，给安全生产留下隐患。因此为了使制动器工作正常，设计制动器时必须进行温升校核，以保证制动器在正常的温度下安全工作。

1 湿式多盘制动器的结构及工作原理

矿上广泛使用的湿式多盘制动器的结构如图1 所示，主要由动壳、静壳、压盘、活塞、动摩擦片、静摩擦片等零件组成[1]。

该制动器摩擦片一半以上的面积浸在润滑油中，同时摩擦片上开有许多螺旋沟槽，车辆制动时摩擦片摩擦产生的大部分热量将通过润滑油及壳体散发出去，使制动器不会因为内部温度过高而损坏元件[2]。

动摩擦片内缘通过花键与动壳连接，可随动壳一起转动，并可沿轴向左右移动。静摩擦片外缘通过花键与静壳连接，不可转动但也可沿轴向左右移动。当制动器实施制动时，踩下制动踏板，制动系统的高压油进入制动器的活塞腔中，在油压作用下，复位弹簧被压缩，活塞向左移动将动摩擦片和静摩擦片压紧，从而实施制动。当松开制动踏板后，活塞腔内的液压油回到液压油箱，活塞在复位弹簧的作用下回位，动摩擦片和静摩擦片分离，制动解除。

图1

2 湿式多盘制动器冷却方式及散热途径

2.1 冷却方式

目前矿用湿式多盘制动器的冷却降温主要依靠油液的循环。冷却方式可根据制动器的工作环境及制动的频繁状况分为自行冷却和强制油液循环冷却两种方式[3]。自行冷却方式主要是依靠制动器内部的润滑油及壳体将其产生的热量散发。强制冷却方式是将外部的冷却液引入制动器，冷却液流过摩擦盘后再流出制动器，将制动器制动时产生的热量带走。其中强制冷却方式又分为：轴心式冷却方式、浸油式冷却方式和滴油或喷油式冷却方式。自行冷却方式适用于制动不太频繁而制动器本身散热就已经足够的场合，结构简单但冷却能力相对较弱。强制冷却方式适用于制动频繁而制动器本身散热不足的场合，结构复杂但冷却能力相对较强。

2.2 散热途径

湿式多盘制动器与干式制动器不同，其特点是湿式多盘制动器工作在浸满冷却液的封闭环境中。冷却液在离心力的作用下，通过摩擦片表面的螺旋沟槽，不断地由摩擦片内径端流向外径端，同时将制动器制动过程中因摩擦产生的热量带走，从而大大降低了制动器的故障率。

湿式多盘制动器主要通过两个途径来散热[4]：一是通过流体与摩擦副之间对流散热，流体将热量带到边缘与壳体进行热交换，壳体热量通过自行冷却或强制冷却方式将热量散掉；二是通过导热的方式将制动器产生的热量传到其它连接件，降低自身温度。

3 湿式多盘制动器冷却系统设计

根据能量守恒原理，湿式多盘制动器中固定盘和转动摩擦片之间的摩擦力矩所消耗的功等于车辆的制动能量，车辆的制动能量等于车辆的动能与势能之和[5]。

式中 E——车辆制动时产生的总能量，J

Ei——车辆制动时产生的动能，J

Ej——车辆制动时产生的势能，J

vi——车辆制动前的初速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

hj——路面斜坡高度，m

m——车辆的平均质量，kg

式中 m1——车辆空车质量，kg

m2——车辆满载质量，kg

假设实际工作中所使用的车辆前后轮共有4 个湿式多盘制动器，在制动时每个制动器每秒所产生的总热量为

式中 Q1——每个制动器每秒产生的总热量，J/s

T——制动循环工作周期，s

先根据强制冷却方式计算。假设外界的环境温度为t0，流入制动器的冷却液温度为t1，允许流出制动器的冷却液温度为t2，则制动器在制动过程中产生的热量，一部分使冷却液温度从t1上升至t2，另一部分经过制动器壳体散发到外界环境中去，可得出强制冷却时湿式多盘制动器内部油液温升计算的数学模型[6]为：

式中 Q2——单个制动器的散热能力，J/s

C——油的比热，J/（kg℃）

Q——流经一个制动器的冷却油量，m3/s

μ——制动器的散热系数，J/（m2.s.℃）

ρ——油的质量密度，kg/m3

A——单个制动器的散热面积，m2

根据热平衡原理，即Q1=Q2，求得每个制动器油的流量为

在上式中，如果E-4μT（t2-t0）A≤0，则该制动器可采用自冷式制动器；如果两者之差＞0 则该制动器必须采用强制冷却的制动器。

4 实例计算

根据上面得出的结论，以矿上使用的某种轻型车为例：该车在12°的坡道上以10 km/h 的速度匀速行驶500 m,其余主要参数为：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，根据以上提供的参数可知

由以上数据得知E-4 μT（t2-t0）A≤0，该制动器可采用自冷式冷却方式。所以目前矿上广泛使用的某种轻型车制动器的冷却系统符合设计要求。

5 结论

根据上面的结论，可以看出对于整车质量不是很大，制动不太频繁的湿式多盘制动器的冷却系统完全可采用自冷式冷却方式。同时我们也得出自冷式湿式多盘制动器内部的热量主要通过润滑油和制动器表面散发到空气中。两者热量散发的多少直接影响制动器的温升。为了使制动器内部的温度不至于过高而影响制动器的性能，我们可采用提高制动器传热性能的方法来提高制动器的散热能力。如可使用特殊添加剂来改变湿式多盘制动器的内部物理特性，也可改变换热面的大小、形状及其表面状况，来提高散热效果[4]。另外，提高湿式多盘制动器表面的清洁度也可以提高湿式多盘制动器的散热效果。