矿用机车离合器摩擦片接合过程热分析.pdf

第2 9 卷第3 期煤矿机械 V 0 1 2 9 N o 3 2 0 0 8 年3 月 C o a lM i n eM a c h i n e r y M a r 2 0 0 8 矿用机车离合器摩擦片接合过程热分析 杨勇强1 郭卫2 孙建功1 张曼1 1 陕西科技大学机电工程学院 西安7 1 0 0 2 1 2 西安科技大学机械工程学院 西安7 1 0 0 5 4 摘要 在摩擦离合器接合过程动力学分析的基础上 建立了摩擦片热分析数学模型 并利用 M A T L A B 对摩擦片温度场进行了仿真分析 结果显示摩擦片表面温度随着时间成正比例增长 温 升值随着摩擦片半径大小呈线性分布 并与外部载荷有关 该分析为摩擦离合器热变形分析提供 了一定的理论依据 关键词 摩擦离合器 热分析 温度场 仿真 中图分类号 T H l 3 3 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 8 0 3 0 0 8 4 0 3 T h e r m mA n a l y s i so fC l u t c hF r i c t i o nP l a t ei nM i n e r a lL o c o m o t i v e Y A N GY o n g q i 删 G U Ow 舒 S U NJ i a n g 婀喀 Z H A N GM a l l I 1 C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g S h a n x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y X i a n7 1 1 0 2 1 C h i n a 2 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g X i a l lU n i v e m i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y X i a l l7 1 0 0 5 4 C h i n a A b s t r a c t T h e r m a la n a l y s i sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc l u t c hf r i c t i o np l a t ew a se s t a b l i s h e d b a s e dO Ne n g a g e m e n t d y n a m i ca n a l y s i so fi t s t e m p e r a t u r ef i e l do fi t gw a ss i m u l a t e du s i I l gM A T L A B a n df i n a l l yd e m o n s t r a t e dt h a t s u r f a c et e m p e r a t u r eb e D D r n e st h ep r o p o r t i o na l o n gw i t ht h et i m et og r o w t e m p e r a t u r e r i s ea s s u m e sl i n e a rd i s t r i b u t i o na l o n gw i t hr a d i u ss i z eo ff r i c t i o np l a t e a n dc o n c e r n sw i t he x t e r i o rl o a d 眦8a n a l y s i sp r o v i d e st h e o r y b a s i sf o rf r i c t i o nc l u t c ht h e r m a ld e f o r m a t i o na n a l y s i s K e yw o r d s f r i c t i o nc l u t c h t h e r m a la n a l y s i s t e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o n 1离合器接合过程摩擦片摩擦生热分析 摩擦离合器是汽车传动系统的重要零部件之 一 其直接影响着汽车的正常运转和安全工作 离 合器摩擦片之间摩擦生热 引起接合区域温度升高 温度在离合器接合过程中的变化对离合器摩擦片工 作性能和使用寿命的影响非常大 在实际应用中离 合器8 0 以上的损坏是烧结 龟裂 以及由于受热 变形使离合器产生副磨损 此外还有受热后材料性 能变化 使摩擦系数急剧降低而失效等 但是 离合 器在接合过程中的动态温度研究一直是个薄弱环 节 因此对离合器接合过程中的动态温度进行研究 具有非常重要的实际意义 离合器基本动力学模型数学表达式为 肘 一M J 3 0 J 3 t1 坂一M J a 3 tJ 一 式中M 离合器输入转矩 与柴油机有关 肘 离合器滑摩转矩 膨 折算到离合器输出轴的地面阻力矩 c c 离合器输入 输出轴角速度 L 折算到离合器输入 输出轴上的转动 惯量 在分析摩擦热产生的热负荷的过程中 摩擦热 陕西科技大学自然科学基金项目资助 Z X 0 6 2 6 来源于滑摩功 因此滑摩功的计算方法直接影响到 摩擦表面的热负荷的计算 摩擦离合器的摩擦片温 度场的输入热流是由摩擦材料中一定厚度的界面层 产生体积热而非表面热流 但是由于亚表层十分薄 可以忽略不计 故可以作为表面热流计算 这是一个 典型的三维非稳态温度场问题 由于摩擦片是圆环状结构 且摩擦过程是瞬态 过程 故作以下假设 1 摩擦所产生的热量完全用于摩擦片的温 升 2 摩擦过程中的热量无径向传导 在轴向上 也不能瞬间到达摩擦片内部 3 摩擦片材料均匀 认为是半无限大平壁 通过以上假设 可以把一个典型的三维温度场 问题转化成为一个二维温度场问题 二维模型认为 离合器摩擦片几何形状和所受载荷均对称于中心 轴 所以温度场的分布也关于中心轴对称 在离合 器接合过程仿真分析中 考虑到了系统的主动转矩 摩擦系数 系统的惯性 系统的应用载荷 摩擦片接 合时间 滑摩功 滑摩转矩 滑摩功率等 这些将作为 温度场计算的已知条件 摩擦面上的热流密度 加 掣 2 一8 4 万方数据 第2 9 卷第3 期矿用机车离合器摩擦片接合过程热分析 杨勇强 等 V 0 1 2 9 N o 3 式中9 t 热流量 w A 导热面积 秆 摩擦面如图1 所示 图1 摩擦片表面图 D I D 2 摩擦片内 外径 对于图中微元 阴影部分 在微元上所产生的 滑摩功 A Q M 0 鼎2 秕妒 3 离合器滑摩转矩 眠 凡r 鼎2 舢矿 4 式中口 主从摩擦片相对角位移 I a d F 摩擦面的摩擦力 N F 摩擦片的正压力 N 厂一摩擦系数 由尹 警可知 9 二万煞2 7 c r 步 甜 5 92 二石霹面z 耳7 步 甜 0 3 式中 主从摩擦片相对角速度 鲫 叫 一 c J n r a c l s 导热微元面积 阴影部分 A 2 x r A r 6 将式 5 式 6 代入式 2 中得 g 示4 磋F f A o D r 万 7 摩擦面上任意微元的热流密度q t 与该点的 角速度 和距圆心距离r 有关 由热流密度的物 理意义可知 摩擦面上任一个点的温度也与该点相 对角速度 叫和距圆心的距离r 有关 整个摩擦面 上各点的角速度 c c 在某一个时刻是相同的 但是 在接合过程中 是随时间变化的 故该点的温升 与距圆心的距离r 以及接合过程中的 有关 而 与时间t 有关 因此 热流密度是关于r 和t 的 函数 摩擦片温度场的边界条件可以归结到第2 类边 界条件 即摩擦片的接合过程任何时间 边界面上的 热流密度都是已知的 属于导热微分方程的定解条 件问题 2 离合器接合过程摩擦片温度场仿真 1 离合器接合过程摩擦片温度场数学模型 摩擦离合器温度场属于瞬态传热 根据热力学 第一定律和傅立叶定律 可以得到 署 夏dJ p c r d 戈一P c 死警 8 式中 9 单个摩擦面热流量 w c p 比热 J k g K 卜绝对温度 K l D 密度 k g m 3 死 室温 后 导热系数 W m K 菇 计算点距表面距离 m 艿 边界层厚度 m 该温度场的边界条件为第2 类边界条件 即就 是边界处任意时刻的热流密度已知 在这种情况下 相应的边界条件为 在名 艿处 F T o 在茗 d 处 掣 0 在茗 o 处 筹 一譬 应用抛物线温度分布 则由上述的边界条件可以得 到 丁一 也 型 9 把式 9 代入方程 8 得 艿 f 瓜 南胁t d f m 1 0 式中口 热扩散系数 口 k p c 温度场分布数学形式为T r x d 方程 9 便是一个以艿 t 为函数并且可以求解的微分方程 式 因此 可以把艿 t 解代入方程 1 0 中可求出温 度场分布T r 菇 t 2 离合器接合过程摩擦片温度场仿真 摩擦离合器动力学数学模型是一个一阶微分方 程组 求解 叫实质就是求解该一阶微分方程组 仿 真程序采用M A T t A B 编程语言 利用改进尤拉公式解 决最方便 程序循环步长A t O 0 0 25s 循环次数为 i 在每一个步长区间 f 内 计算每个仿真参数的区 间增量 口 t 根据微分原理 近似代替微分 从 而求得摩擦片温度场 r T 一7 o 曲线图 一8 5 万方数据 V 0 1 2 9 N o 3 矿用机车离合器摩擦片接合过程热分析 杨勇强 等第2 9 卷第3 期 本文以1 3k W 矿用防爆机车传动系统离合器为 例 仿真过程中原始数据如下D 2 1 0 8t o n i D l 7 8 m m f 0 0 8 F 33 0 1 7N 材料为4 5 钢 表面渗 碳 对于机车一挡起步情况 考虑前进挡与后退挡 空载 名义载荷与满载等因素 结果如图2 一图7 所示 3 结语 1 在各种不同工况的离合器接合过程中 摩擦 片表面温度随着时间成正比例增长 接合过程结束时 的最终温升值 r 随着摩擦片半径大小呈线性分布 2 随着载荷的增加 离合器的最终温升值 r 也会不断增加 这是因为阻力载荷的增加 需要更多 的摩擦功来克服阻力 从而在摩擦面上产生更多的 温升 从能量守恒角度证明了离合器温度场数学模 型的正确性 参考文献 1 常颖 崔岸 张军 等 离合器摩擦过程中的温度研究 J 机械科 学与技术 1 9 9 8 1 7 5 8 3 8 5 2 宿新东 湿式多片制动器研究 D 北京 北京理工大学 1 9 9 9 3 张学勇 刘沃野 王平 等 离合器摩擦片温升分析 J 润滑与密 封 2 0 0 0 2 1 7 一1 9 4 杨世明 传热学 M 北京 高等教育出版社 1 9 8 0 5 j R 威尔特 C E 威克斯 R E 威尔逊 动量 热量 质量传递原 理 M 北京 国防工业出版社 1 9 8 4 作者简介 杨勇强 1 9 7 6 一 陕西咸阳人 陕西科技大学 硕士 研究生学历 从事优化设计和仿真理论的研究 电子信箱 y a h 舒H 咽咖 朝或 e d u 收稿日期 2 D 7 0 9 1 1 嘞嘞劫粤爷 毒窄劫嘞粤私啤嘞毒爷 嘞嘞 岛勘耘岛劫勃匈嘞鳓劫劫嘞嘞岛嘞 毒爷劫专利 勘毒私 粤爷 芦夸 勘e 留 本刊声明 煤矿机械 杂志连续4 次被认定为中文核心期刊 黑龙江省优秀期刊 列入 剑桥科学文摘 来源期刊 我刊 已加入 中国期刊网 万方数据网 和 重庆维普网 作者稿酬由本杂志社一次付清 本杂志社属自负盈亏单位 在本刊发表 文章收发表费 同时也付给作者稿酬 如有不同意上面所述者 请来函说明 本杂志社将做适当处理 投稿必须通过电子信箱 发来 投稿只能用W o r d 排双栏版并请仔细阅读 字数在30 0 0 50 0 0 字为宜 投稿之前 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