矿用无轨运输车湿式多盘轴制动器研究

高雪军

（山西焦煤霍州煤电木瓜煤矿，山西 方山 033300）

在众多不同类型的制动系统中，多盘油冷式制动器在全球范围内流行。能够预测这种材料的热行为是很重要的，需要系统具有精确性，尽管在这一领域进行了相当广泛的研究，多盘制动器/离合器的微观建模以及宏观流体力学模拟在齿轮系统和齿轮箱实心壳体中，两者的相互作用在很大程度上由于巨大的分离而未成为研究的子课题，两种现象之间存在长度和时间尺度。

如图1 所示的制动系统由两个齿轮组成，它们在润滑多盘式制动器的油中进行传动。

图1 制动器接合过程中摩擦片和隔板之间的间隙

1.1 制动方案

制动方案包括许多连续和重复的制动循环，N；
左侧刹车中每个循环包括一个制动周期，冷却一段时间，再制动右侧刹车盘，然后是冷却期。左侧制动器在任何给定的制动循环运动中，右侧制动器从未参与运动。本节采用高能方案和疲劳方案。图2 显示了两种方案的相关参数，其中PRM为设备每分钟旋转次数。

图2 两种方案的相关参数

1.2 传热控制方程

不可压缩流体的连续性和动量方程[1]用以下公式表示。

式中：uf（x，t）为两相流体中的速度矢量；
p 为流体的静水压力。VOF 配方用于求解内部油相和气相的体积分数，使用以下公式计算流体[2]：

式中：χ 为体积分数，χk=0 表示纯气体，χk=1 表示系统中的纯油。混合物的流体性质根据各相的含量进行加权，例如ρ=∑kρkχk。可以为整个区域编写能量方程，以便控制流体和固体内部的温度分布组件[3]：

式中：T（x，t）为温度场；
α 和ρcp分别为温度场热扩散率和热质量。采用油气混合物块状传热模型，假设在整个流体域中温度均匀，消除了所有流体温度的空间导数与时间演化可使用以下公式更新流体温度的数值：

式中：V 为混合物的总体积；
ρcp为混合物的热质量；
Qnet为添加到容器中的总热量，流体区域是通过组合热产生的，通过齿轮的寄生损耗以及摩擦副的对流热传递以及热传递到固体。

控制流体运动和能量守恒流体域，整个固体的能量用以下公式表示[4-5]：

用于实验研究的试验台如图2 所示。车轴安装在试验台和一层隔热层上，绝缘层用于防止轴和轴之间的任何传导。轮轴的小齿轮轴连接到驱动装置带内联扭矩计的轴。扭矩计持续工作监控电源输入，以确保所需的功率在制动循环期间向小齿轮轴供电。共有6个热电耦放置在预钻孔处的外壳中。在开始测试之前，允许车桥壳体在室温下闲置超过16 h，以确保其没有任何残留上一次测试运行留下的热量。

图2 试验测试装置

3.1 流体流动

在模拟开始时，壳体中充有一半的油，一旦小齿轮轴开始旋转，壳体中的油就会开始旋转，壳体变得不稳定。这就产生了一种高度湍流，以更高的速度混合具有很强的稳定性。由于重力的影响润滑油在外壳的下半部分，上半部分接受飞溅润滑，在较低的转速下，油的搅拌速度较低，而较高的齿轮转速会导致更频繁地搅动机油形成更好的润湿性外壳。在较高的小齿轮转速下，组合的流体速度和湍流导致更好的对流热转移发动机左右部分之间的机油分配住房情况相当均衡，52%在左边，48%在右边。图3 显示了表面上的平均对流换热系数。

图3 在900 rpm 和4 000 rpm 的平均热传导系数

3.2 油中的传热

机油充当介质，将发动机产生的热量传递到实心壳体上。在每个制动循环中，它会排出制动盘的热量并将其转移到相对较冷的实心壁上。接触阶段有大量的热量添加到油中，导致温度的迅速上升。在脱离接触期间随着时间和压力的增加，外壳能够以一定的速率吸收热量，这导致了油温下降。但是，油温从一个循环持续升高到另一个循环，通过重复制动循环增加大部分能量。CFD 模型预测的油温与描述的相应实验数据一致如图4 所示。

图4 模拟与测量无量纲散装油温的比较

3.3 制动盘中的热传递

3.3.1 脱离接触期

当处于分离位置时，不会增加摩擦热在制动盘之间和周围流动的油，通过对流传热促进冷却。对流传热率取决于摩擦副的旋转速度、间隙大小、板表面之间的温差以及摩擦副的热性能。具有持续供油，间隙中的油液温度保持不变低于制动盘表面温度，允许加热从制动盘流向机油（见下页图5）。

图5 进入油中的热传递速率

3.3.2 接触期

产生的摩擦热传递到在制动盘的接触面的三个隔板上。第一部分是导轮进入隔板，第二部分为传导进入摩擦片，第三部分是油流在盘子之间。分割比率随着时间的变化而变化分离板界面、摩擦板界面处的温度梯度和散装油温度。图6 显示了循环期间该热分解的瞬态模式。在制动操作期间，隔板处的温度梯度由于钢和摩擦垫材料的热性能不同，摩擦片的变化也不同。由于其导热性差摩擦片界面处的温度梯度迅速增大，而隔板界面处的导热系数较高温度梯度相对较低。因此，分离器板接收触点中产生的大部分热量区随着热量添加到制动盘，接触界面温度升高，以保持热流方向进入固体和油中。随着接触界面处温度的升高，进入隔板的传热率份额增加减少的原因有两个：第一，摩擦片界面处的温度梯度的增加速度快于分离器随着接触界面温度的升高。这导致进入摩擦片的热传递速率逐渐增加。其次，油和制动器之间的温差不断增加，从而减少进入实心制动盘的总摩擦热（见图7）。

图6 热传递到制动片

图7 隔板、摩擦片和油之间的热量分解百分比

仿真重复载荷作用下多盘轴制动系统的热流体力学制动循环和高负载。将流体运动外壳内部和固体部件中的热传递分开。搅拌均匀的流体采用集总热模型温度的空间变化可以忽略不计的区域。即使虽然假定流体温度在空间上是均匀的，在固体域中存在温度的空间分布。建立了固体域和流体域之间的连接边界条件，计算制动盘所需的传热系数使用经验关联式，而对于其他固体，直接源自三维CFD 模拟。该方法已成功地通过一个湿轴制动系统的全瞬态试验研究进行了验证。在磨损的情况下，在每个制动循环中转速较慢，制动功率输入较小，制动器接合时间较长。在高能情况下，摩擦热被添加到系统中，在较短的时间内以较高的功率运行。结果表明，仿真结果与实验结果吻合较好。

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