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2 0 0 7年第3 期 煤矿机电 4 9 带式输送机盘式制动器温升分析 符阳， 蒋卫良， 李云海 煤炭科学研究总院 上海分院，上海 2 0 0 0 3 0 摘要 基于三维循环对称有限元模型， 提出了带式输送机盘式制动器制动过程中温度场计算方 法。讨论边界条件和各种相关参数的确定方法， 以及输送机制动过程热流载荷的计算方法。仿真 结果表明 在制动开始阶段， 制动盘迅速升温， 高温区集中在制动盘摩擦面表层。仿真结果与实验 数据相符。 关键词 带式输送机 ；制动盘 ； 温度场 ；有限元 中图分类号 T H 2 2 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 7 0 3 0 0 4 9 0 3 Te mp e r a t u r e An a l y s i s o f Di s c Br a k e o n Be l t Co n v e y o r FU ，J A NG We i l i a n g，L I Y u n Ha C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e S h a n g h a i B r a n c h ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0， C h i n a Ab s t r a c t T h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f t r a n s i e n t t e mp e r a t u r e fi e l d o f b r a k e d i s c i S p u t f o r w a r d o n t h e b a s i s o f 3 ． d i me n t i o n a 1 c y c l e ． s y mme t ri c fi n i t e e l e me n t mo d e 1 ．T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a n d c o r r e l a t i v e p a r a me t e r s o f b r a k e d i s c s a r e d i s c u s s e d，e s p e c i a l l y t h e me t h o d o f h e a t f l u x o f b r a k i n g p r o c e s s f o r b e l t c o n v e y o r ．S i mu l a t i o n r e s u h s s h o w t h a t a t t h e b e g i n n i n g o f b r a k i n g p r o c e s s ，t h e t e mp e r a t u r e o f b r a k e d i s c s ris e r a p i d l y ；t h e h i g h t e mp e r a t u r e s e c t i o n c o n c e n t r a t e s i n s u r f a c e f r i c t i o n 1 a y e r s o f b r a k e d i s c s ．T h e s i mu l a t i o n r e s u h s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e e x p e rime n t d a t a ． K e y wo r d s b e l t c o n v e y o r ；d i s c b r a k e；t e mp e r a t u r e fi e l d；fi n i t e e l e me n t 言 望 篓 美 、 盘式制动器主要适用在水平或上运输送机， ， 、I I 场分析中， 多将制动盘简化成二维模型⋯， 本文对 能作为下运输送机二级制动或备用制动。制动盘热 下运输送机制动盘进行三维瞬态温度场仿真计算。 c h ． C 、 液晶显示器驱动 1c d ． C 和 P WM定时器控 制输出驱动 p w m ． C 。另外 ， 系统还包括8个功能 模块 ， 分别 为 模糊神 经网络 F N N 在线控 制 的程 序设计模块 、 模糊控制器 F C 模块 、 数据采集模块 、 数据存储模块 、 L C D显示模块 、 触摸屏模块 、 P WM控 制输出模块以及其它应用模块。 5结语 通过对 1 2只 D 一 1 8 0牵 引用铅 酸蓄 电池串联充 电实验 ， 历时 1 ． 2 5 h ， 充入电量为 1 7 8 ． 5 A h 。其后继 续充 电， 安时数增加微乎其微， 充电效率为 8 9 ％。 整个充电期 间， 温升为 ～2 1 ． 8 C， 因而可实现高效 、 快速充电。 参 考文献 [ 1 ] K M a r k S m i t h ， K e y u e M a S m e d l e y ．E n g i n e e r i n g D e s i g n o f L o s s - l e s s P a s s i v e S o ft S wi t c h i n g Me tho d s f o r P W M Co n v e r t e r s ． I EEE t r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 1 3 [ 2 ] 田泽． 嵌入式系统开发与应用[ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 4 [ 3 ] 王田苗． 嵌入式系统设计与实例开发 第 2版 [ M] ．北京 北 京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 5 作者简介 李敬兆 1 9 6 3 一 ， 男， 教授。1 9 9 2年毕业于中国矿业大 学 电力传 动及其控制专 业 硕 士学位 ， 2 0 0 3年毕业于合肥工业 大学 电力 电子 与电力传动专 业 博士学位 ， 现任 安徽理工 大学计算机 系 主任， 主要从事计算机控制 方面的科研 与教 学工作 ， 发 表论文 3 O余 篇。 收稿日期 2 0 0 7 0 1 1 9 ； 责任编辑 陈锡强 维普资讯 - 5 0 煤矿机电 2 0 0 7年第3期 2 制动盘温度场计算 1 热传导方程及边界条件 根据传热学理论 ， 无热源各向同性材料热传导 方程为 0 2 T 0 2 T O z O t 1 L l I a ‘ a y ‘ ‘ A 式中 卜 温度 ， K； ￡ 一 时间 ， S ； p 一 材料密度 ， k g ／ i n ； C 一 材料比热容， J ／ k g- K ； A 一 材料导热系数 ， W／ i n K 。 摩擦制动盘摩擦过程产生大量热量 ， 导致温度升 高， 产生传导、 对流和辐射换热。边界条件如下 J t 0时， T ， Y ， T o 2 在换热界面上 一 A o _3 _ 1 一 一 3 在摩擦界面上 一 A 一g 一 一 4 式中 一环境温度 ， o C； n i 一各界面法 向单位向量 ； 一 摩擦界面法 向单位向量 ； 一 各界面对流换热系数 ， W／ i n K ； 一 摩擦界面对流换热系数 ， W／ i n - K ； 一 各界面辐射换热系数 ， W／ i n - K ； 一 摩擦界面辐射换热系数， w／ in K ； 一 波尔兹曼常数 ， w／ i n K ； q 一制动盘热流密度， w／ m 。 2 制动盘热载荷计算 设摩擦产生 的热 流密度 为 q ， 输入 摩擦 盘和摩 擦片的热流密度为 g 和 g 。 ， 对偶摩擦副的热流分配 系数为 y q d k d 。 c d P 。 d ， ] c p ‘ 5 y 一 ． ． 。 。 ， 式中 、 c 一摩擦盘导热系数 、 比热容 、 密度 ； 。、c 。 、 P p 一摩擦片导热系数 、 比热容 、 密度。 gg dg 。 6 制动时， 制动器所吸收的能量为输送机及物料的 动能和克服阻力矩所做的功。向下运输时阻力矩成 为输送机及物料的动力矩。将各力矩折算至高速轴， 制动过程 中带式输送机制动器吸收的能量为 J Q M t o t 7 式 中 Q 一制动功 ， J ； 卜 电机轴 的总转动惯量 ， k g I l l ； 一 制动时高速轴的角速度， 1 ／ s ； 一 电机轴上的总阻力矩 ， N m； ￡ 一制动时间， s 。 输送机在上运 、 水平及下运工况时 ， 总阻力矩 的 方向和胶带的运行方 向相反 ， 式 中第 2项取负号 ； 输 送机在下运工况时 ， 总阻力矩方 向与胶带运行方 向 一 致 ， 此项取正号 。 假定制动过程为匀减速运动 ， 下运带式输送机 制动 的平均热流率为 d t 。一J 6 2 ￡ 8 式中 P t 一￡ 时刻施加到摩擦盘和摩擦片之间的热 流率 ； 。一 制动初角速度 ； 一 制动减速度 。 摩擦盘热流密度 g与时间 t 的关系为 9 式中 q t 一施加到摩擦盘片的热流密度， w／ m ； 尺 一摩擦环形区域 的外径 ， I l l ； r 一摩擦环形 区域 的内径 ， I l l ； F 一输人摩擦盘热流密度权值 0 ≤F ≤1 ； 一 摩擦功率转化为热流密度权值 0 ≤F f ≤ 1 。 南 1 0 3 物理参数 制动器的初始转速 为 1 0 0 0 r ／ mi n ， 紧急制动 时 间为 1 2 S ， 初始 环境温度为 9 ℃。制动材料物理参 数如表 1 。 表 1 制动材料物理参数 维普资讯 2 0 0 7年第3 期 煤矿机 电 5 1 4 换热系数 制动盘表面换热 由对流换热和辐射换热两部分 组成 ， 1 1 式中 一综合换热系数； 一 对流换热系数 ； ， 一 辐射换热系数。 对流换热 系数取决于流体流动状态 、 流体物理 性质 、 壁面温度及壁面的几何形状 ， 即 N A ／ l o 1 2 式 中 Ⅳ 一努谢尔特征数 ， 根据流体流动状态取值 ； 一 固体特征尺寸； A 一流体导热系数。 辐射换热系数为 a ，q r ／ 一 1 3 式 中 q 一单位面积辐射换热量 ， W； 卜 制动盘表面温度 ， K； 一 环境温度 ， K 。 根据斯 蒂芬 一波尔兹曼定律 ， 制动盘与周围空 气的辐射换热服从 a 8 A o “ o 一 1 4 式中 一制动盘表面黑度 ； 一 辐射表面积， m ； 。一斯 蒂 芬． 波 尔 兹 曼 常 数 5 ． 6 6 91 0 ～， W／ m K 。 5 仿真结果 采用三维 实体建立 的制 动盘有 限元模 型见 图 1 。含 2 1 0 0 8个节点 ， 1 6 2 2 4个单元 。经 A N S Y S求 解， 得到制动结束时制动盘三维瞬态温度场仿真结 果 。制动摩擦面的温升过程如图 2所示 。 图 1 制动盘 有限元模型 制动开始后 ， 制动盘表面温度逐渐升高 ， 随着热 流密度及传导等影响， 在 7 s 时， 温度达到最高； 接近 停车阶段 ， 热流 密度逐 渐减小 ， 制动盘温 度开始 降 低。 l 3 7 ． 5 1 2 5 l 1 2 5 l O O 8 7 ． 5 8 7 ． 5 6 2 5 5 0 3 7 ． 5 2 5 l 2 ． 5 3实验验证 ／ 、＼ ／ ＼ ／ ＼ ／ ／ f ， l | | O 2 ． 5 5 7 ． 5 l 0 l 2 ． 5 1 ．25 3． 7 5 6．2 5 8．7 5 l 1 ． 2 5 时间 ， ／ s 图2 制动盘温升过程图 根据煤炭科学研究总院上海分院测试中心所作 的 Z P T - 6 5 0 B防爆 型 盘式 制 动器 性 能测 试 结果 显 示， 在紧急制动情况下， 制动结束时制动盘表面温升 达到 9 6 q C 。仿真结果与实验数据 比较接近。两者 的差异在于实验测试与计算仿真采用的初始温度略 有不同。 4 结语 本文利用 A N S Y S软件建立 了基 于三 维循 环对 称模 型的制动盘三维有 限元分析模型 。论述了相关 热载荷计算方法与关键参数的确定。求解得到紧急 制动工况下 ， 制动盘三维瞬态温度场仿真结果。在 制动开始阶段 ， 制动盘迅速升温 ， 高温区集中在制动 盘摩擦面表层， 最高温度达 1 2 2 C 。仿真结果与实 验数据相符， 可以较精确地描绘带式输送机盘式制 动器制动过程中制动盘温度场的变化。 参 考文献 [ 1 ] 吴萌岭 ． 准 高速 客 车 制 动盘 温 度场 及 应力 场 的 计算 和 分析 [ J ] ． 铁道车辆 ， 1 9 9 5 1 O [ 2 ] 丁群 ， 谢基 龙． 基于 三维 模 型 的制动 盘 温度 场 和应 力场 计算 [ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 2 ， 2 4 6 [ 3 ] Z a g t o d z k i P ． A n a l y s i s o f t h e r m o m e c h a n i c a l p h e n o m e n a i n m u l t i d i s c c l u t c h e s a n d b r a k e s [ J ] ． We a r ． 1 9 9 0 1 4 0 [ 4 ] 王光炳．浅析下运带式输送机的起动与制动[ J ] ． 煤矿机电． 2 0 0 1 1 [ 5 ] 翁中杰， 程惠尔， 等．传热学[ M] ．上海 上海交通大学出版 社 ，1 9 8 7 作者简介 符阳 1 9 7 7一 ， 男。2 0 0 1年毕业于长安大学， 现为煤炭 科 学研究总院上海分院机械设计及理论专 业在读硕 士研 究生。 收稿 日期 2 0 0 7一O 2 0 5 责任编辑 陶驰东 维普资讯