ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

铸造技术

FOUNDRYTECHNOLOGYVol.29No.8Aug2008

ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

杨海东,王 瑜,呼靳宏

(内蒙古霍煤鸿骏铝业公司,内蒙古霍林郭勒029200)

摘要:依据数值传热学原理和采煤机液压盘式制动器摩擦系统的结构特点,利用有限元分析软件ANSYS10.0建立了采煤机制动器摩擦片及对偶盘的二维有限元模型,对摩擦片及对偶盘在紧急制动工况下的温升过程进行数值模拟计算,得出制动器温度场的分布状况,分析了瞬态温度场的变化情况,可为进一步研究盘式制动器提供参考。关键词:采煤机制动器;温度场;有限元法;数值模拟

中图分类号:TG132 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2008)08 1020 04

ApplicationofANSYSintheThermalFieldAnalysis

ofCoalCutterBrakeFrictionDisk

YANGHai dong,WANGYu,HUJin hong

(InnerMongoliaHuomeiHongjunAluminumIndustryCompany,Huolinguole029200,China)

Abstract:Accordingtotheheattransfertheoryandcharacteristicofconstructionofcoalcutterbrakefrictiondisc,atwo dimensionalfiniteelementmodeloffrictiondiskandmateplatewasestablishedusingANSYS10.0software,andthetemperatureriseinthefrictiondiskandmateplateduringasuddenbreakwassimulatedthedistributionofthetemperaturefieldwereobtained.Thecharacteristicsoftransienttemperaturefieldareanalyzed.Theinvestigationcanprovidereferenceforfurtherresearchofdiscbrake.

Keywords:Discbrake;Temperaturefield;Finiteelementmethod;Simulation

装配有盘式制动器的采煤机在持续制动或者紧急制动的过程中,其大多数动能通过制动器的摩擦转化为热能,这些热能大部分被摩擦片和对偶盘吸收。摩擦热导致摩擦片温度急剧升高,产生不均匀的温度场,属于瞬态传热。由于紧急制动而产生的瞬时高温,造成热衰退,导致制动性能下降,从而引起生产事故。对采煤机制动器摩擦片及对偶盘的温度场进行计算分析,能为更换制动器摩擦片提供理论依据,降低事故的发生率。

Block在1973年开始对温度场进行研究,他在对制动器温升计算时,粗略地认为对偶盘将全部制动动能均匀吸收,忽略了制动摩擦片的影响,提出了摩擦副表面温度计算的典型模型,即半无限体表面承受单一集中热源,并提出了由摩擦引起的最大表面温升即闪现温度的概念。后来Jaeger发展了这一理论,并提出了矩形形状的移动热源作用在半无限体表面上的数学模型

[1]

行二维瞬态温度场分析,揭示紧急制动或者持续制动工况下摩擦片及对偶盘温度分布规律。1 摩擦片及摩擦盘热传导的数学模型

1.1 基本假设

(1)由于采煤机制动器摩擦片具有轴对称结构,边界条件对称,所以温度场分布也是对称的。根据对称性,认为摩擦片沿厚度方向中间截面处的导热量为零。

(2)系统在运行时,温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化,温度场的分布是瞬态的。

(3)摩擦热全部由摩擦片及对偶盘传递,不考虑介质泄漏所带走的摩擦热。

(4)分析时将摩擦片和对偶盘一起考虑,对摩擦片和对偶盘施加同一热源。摩擦产生的热量由二者共同吸收、传导。

(5)对于摩擦片和对偶盘的任意一个与轴线垂直的表面,温度沿圆环方向等温分布。

基于上述假设,摩擦片及对偶盘的温度场分布随着径向或轴向的位置变化而变化,沿圆环方向等温分,。本文应用有限元分析软件ANSYS10.0对采

煤机中使用的液压盘式制动器中的摩擦片及对偶盘进

收稿日期:2008 04 03; 修订日期:2008 06 27

作者简介:杨海东(1976 ),内蒙古霍林郭勒人,助理工程师.主要从事

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铸造技术!08/2008

杨海东等:ANSYS在采煤机制动器摩擦片温度场分析中的应用

1.2 数学模型

对于空心圆柱形摩擦片和对偶盘,过轴线的截面将摩擦片和对偶盘分成两部分,取其中的一个平面作为研究对象,建立如图1a所示的模型。其中横向为轴向,纵向为径向。

式中 [K]###传导矩阵,包含导热系数、对流系数及

辐射率和形状系数;

[C]###比热矩阵,考虑系统内能的增加;{T}###节点温度向量;{T }###温度对时间的导数;

{Q}###节点热流率向量,包含热生成。2.1 应用ANSYS软件对摩擦片进行热分析

本文针对采煤机用摩擦片和对偶盘分析,在系统运行过程中,其热流密度是随时间变化的,故采用瞬态分析的方法对采煤机紧急制动的工况进行分析,分析过程如图2所示。其中初始温度取环境温度20 ,分析迭代过程所采用的时间步长为0.1s。ANSYS进行热分析计算的基本原理是所处理的对象首先划分成有限个单元(每个单元包含若干个节点),然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度值,继而进一步求解出其他相关量。ANSYS有限元热分析主要包括以下3个步骤。

图1 摩擦片温度场计算示意图

Fig.1 Schematicoftemperaturefieldcalculationoffriction

disc

根据摩擦片和对偶盘的对称性及其工况可知,摩擦盘温度场沿图1a所示模型的点划线轴对称分布,且该线上导热量为零。因此,在实际中以图1b所示为对象进行分析,建立有限元模型。

根据传热学理论以及上述假设,摩擦片的传热问题简化为二维问题,导热微分方程式是:

++ =r x r式中 T###密封环的温度函数,T=T(x,r);

###材料的密度;

C###材料的比热容;k###材料的导热系数;t###时间。

初始条件:t=0,T=T0,T0为初始环境温度。边界条件:

(1)摩擦材料表面的热流密度。假设与制动器连接的转轴由速度 减速至停止, 为角减速度,F为施加在制动盘上的垂直应力,R为摩擦片的半径,K是修

b为能量分配系数,S为接触面积,则摩擦材正系数,!

2

2

(1)

图2 紧急制动时摩擦片温度场计算流程图

Fig.2 Flowchartoftemperaturefieldcalculationoffriction

discduringsuddenbrake

(1)前处理有限元建模和划分网格

根据摩擦片和对偶盘的结构选择适当的坐标位置,用ANSYS软件提供的PREP7前处理

[3]

创建摩擦

料的表面随时间变化的热流密度g(t)为

!bKF( - t)r

q(t)=

2S热系数已知。

2 摩擦片瞬态温度场有限元分析过程

[2]

盘平面A1、摩擦材料平面A2和对偶盘平面A3,再用布尔运算将三平面相加,得到制动器摩擦片温度场分析的几何模型。选择PLANE55四节点四边形单元,材料类型为各向同性,材料特性参数如表1所示。采用ANSYS所提供的MeshTool网格划分工具进行四边形网格划分,其中SmartSize选择1,模型中共有1215个单元,1340个节点。

(2)加载和求解

首先,确定分析类型和分析选项,对制动器摩擦片的有限元模型施加初始条件及边界条件,进入Solution菜单,选择其下级菜单中的ApplyThermal\Heat,(2)

(2)与摩擦片的外径边界相接触介质的温度和换

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程,瞬态温度场不仅是空间域的函数,而且是时间域的函数。在空间域采用插值函数对有限单元进行离散,根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式){

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界条件的数值。对于第三类边界条件,则选Ap plyThermal\Convection,输入对流换热系数及环境温度的值。其次,确定载荷步选项,求 …… 此处隐藏：4596字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……