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生熱應力，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外研究者和生產者的關注。
　　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上，采用通用CAE工具軟件ANSYS，用有限元數值模擬方法，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，運用熱力學理論，模擬分析了大型礦車盤式制動器溫度和應力場，并對溫度場和應力場及其分布進行詳細系統的分析。
　　本文的主要研究內容如下：
　　(1)介紹了大型礦車及盤式制動器的主要性能參數及工作方式，總結了國內外盤式制動器熱-力耦合研究現狀及分析了不足，闡述

3、了熱-力耦合相關的基礎理論，包含摩擦接觸原理、摩擦熱及熱傳遞、熱力耦合方法等相關基礎理論。
　　(2)結合某大型礦車盤式制動器的實際參數，建立了制動器有限網格劃分模型，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象。不同工況制動時間的不

4、同，溫度最高點峰值的出現時刻也不同，工況制動時間越長，峰值出現的越晚，但溫度最高點峰值大致都出現在制動總時長約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生裂紋。
　　(3)將不同工況制動盤接觸面點溫度曲線進行對比分析，發(fā)現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行摩擦副的機械應力分析，制動盤兩側應力與摩擦片的應力基本對稱分布，摩擦片尖角區(qū)域應力較大而且比較集中。說明可能摩擦片外圍磨損會相對嚴重一點，側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力的原因。機械應

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