多盘湿式制动器空转热功率分析及优化.pdf

2 0 1 8 年第1 期煤矿机 电 3 7 马福文 多盘湿式制动器空转热功率分析及优化 J 煤矿机电 2 0 1 8 1 3 7 3 9 d o i 1 0 1 6 5 4 5 j cn k i cm e t 2 0 1 8 0 1 0 1 l 多盘湿式制动器空转热功率分析及优化木 马福文 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原0 3 0 0 0 6 摘要 针对某矿用胶轮车行走制动系统的封闭式多盘湿式制动器空转运行时有发热现象 基于 牛顿内摩擦定律及热力学相关理论 分析了影响热功率的主要因素 并提出降低热功率的方法 最 后通过实验测试 验证了所提出方法的正确性 关键词 多盘湿式制动器 空转热功率 牛顿内摩擦定律 中图分类号 T D 5 2 5文献标志码 B文章编号 1 0 0 l 一0 8 7 4 2 0 1 8 0 1 0 0 3 7 0 3 A n a I y s isa n dO p t im iz a t iO nO fI d l in gT h e r m a l P O w e rf O rM U l t iD iS CW e tB r a k e M At u w e n C C T E GT a iy u a nR e s e a r chI n s t it u t eC o L t d T a iy u a n0 3 0 0 0 6 C h in a A b S t r a C t A im in ga tt h eh e a t in go ncl o s e dm u l t i d is cw e tb m k eint h em in in gr u b b e rt y r e dv e h icl em n n in ga n d b r a k in gs y s t e mw h e n1 1 J n n in gid l e B a s e do nN e w t o n s1 a wo fin t e m a l 衔ct io na n dt h e m o d y n a m ic t h e o r y t h em a in f a ct o r sa f f e ct in gt h e 硼a lp o w e rw e r ea n a l y z e d a n dt h em e t h o dt or e d u cet h e m l a lp o w e rw a sp u tf b r w a r d F in a l l y L h eco e ct n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o dw a sV e r if ie db ye x p e r im e n t a lt e s t s K e y w O r d s m u l t id is cw e tb r a k e id l in gt h e r n l a lp o w e r N e w t o n sl a wo fin t e m a lf r ict io n O 引言 目前 井下胶轮车行走制动系统多采用轮边减 速器末端低速级制动 制动器内藏有驱动桥 具有结 构紧凑 制动力矩大 冲击小等优点 o 但制动器的 维修 更换不便 某矿用胶轮车行走制动系统采用 封闭式多盘湿式制动器 高速级制动 制动器外置高 速级驱动箱 采用液压油外循环强制冷却系统 该 车在进行空载运行试验时 多次出现液压系统过热 保护 经排查发现是功率较大而导致制动器的发热 在传统的制动器设计中 往往只涉及制动发热功率 的计算 并不触及空转发热功率 针对上述问题 本 文基于牛顿内摩擦定律及热力学相关理论 对制动 中国煤炭科工集团青年基金项目 2 0 1 6 Q N 0 1 3 器空转热功率进行理论分析和实验验证 并提出降 低制动器空转热功率的措施 1 封闭式多盘湿式制动器结构及参数 该封闭式多盘湿式制动器 兼具行车制动与驻 车制动功能 其行车制动为液压制动 弹簧释放 而 驻车制动为弹簧制动 液压释放 冷却方式采用液 压油外循环强制冷却系统 将制动器产生的热量随 液压油经车辆液压系统连续循环带出 并在制动器 外强制冷却 1 1 制动器结构 封闭式多盘湿式制动器结构主要由静壳 转轴 摩擦衬片 对偶钢片 制动活塞 解制动活塞 制动弹 簧及复位弹簧等组成 如图1 所示 3 8 煤矿机电2 0 1 8 年第1 期 1 2 制动器主要参数 输入转速 r m in 1 l9 0 0 摩擦面副m 1 2 摩擦片外圆直径d m m 8 0 摩擦片内圆直径d m m 4 0 摩擦衬片材料铜基粉末冶金 摩擦衬片油槽形式双圆弧油槽 对偶钢片材料 6 5 M n 摩擦片动摩擦系数 0 0 6 0 1 摩擦副脱开间隙 m m 0 2 l 一转轴 静壳 3 一晰制动 一 j I 4 一孽擦H 片 5 一对f f 5 钢片 6 一制动活塞 7 一制动弹簧 8 一复位弹簧 图1 封闭式多盘湿式制动器结构 2 制动器理论分析及影响因素 2 1 空转热功率理论分析 该矿用胶轮车正常运行时 封闭式多盘湿式制 动器处于非制动状态 制动器内动 静片存在转速 差 两者之间的粘性油液会剪切摩擦从而产生热量 即因动 静片间粘性油液转速差造成的摩擦损失功 率 也称制动器空转热功率 根据能量守恒定律 可以用空转阻力矩来描述 空转热功率旧 1 3 即 J p 丁 c 1 一 2 r 1 式中 P 为制动器空转热功率 r 为空转阻力矩 ccJ 为动片 静片的转速 由式 1 可知 该制动器空转阻力矩是由液体 的粘性或油膜剪切作用而引起的 其原理是基于牛 顿内摩擦定律 主要是摩擦片分离不彻底 主 被动 摩擦片的相对转速较高 以及微小的油膜剪切力在 摩擦片间产生一定的制动力矩 此力矩为空转阻力 矩 产生空转阻力矩的原因很多 但最根本的原因 还是粘性油液的存在 粘性油液有一定的粘度 在 主 被动摩擦片相对转速下 尽管复位弹簧使摩擦片 分离的间隙较大 根据牛顿内摩擦定律可知 必然存 在由油膜剪切作用产生的阻力矩 再者由于摩擦片 分离间隙的不同 在高速运转下的碰撞也会引起一 定的阻力矩 这就是空转阻力矩的由来旧J 为了方便研究 忽略摩擦片油槽对空转阻力矩 的影响 假定摩擦片均匀地分开 即所有的油膜厚度 均相等 则空转阻力矩的大小可用下式 o 计算 即 1 r 弘1 T r 一r 4 半 2 二凡 式中 丁为空转阻力矩N m 肛为流体的动力粘度 P a s 为动 静摩擦片相对转速 r a d s m 为摩 擦面副数 危为单油膜厚度 m r 为摩擦片油膜有效 作用内半径 m r 为摩擦片油膜有效作用外半 径 m 2 2 空转热功率主要影响因素 由上述分析可知 影响制动器空转热功率的主 要因素为冷却油的动力粘度 动静摩擦片相对角速 度 摩擦面数 单油膜厚度及摩擦片油膜有效作用内 外半径HJ 而空转热功率与摩擦面数成正比 与摩 擦片油膜有效作用外半径和内半径四次方之差成正 比 与冷却油的动力粘度成正比 与动 静摩擦片相 对角速度二次方成正比 与单油膜厚度成反比 3 优化措施 综合考虑不影响整车的性能 更改措施实施难 易程度 液压系统设计要求等因素 确定通过减小摩 擦片厚度 增大油膜间隙的方法来减小热功率 制 动器摩擦副脱开间隙通常取0 2 0 4m m 现将该 制动器摩擦副脱开间隙由0 2m m 改为0 4m m 4 试验验证 制动器按工作位置安装 实验安装示意图如图 2 所示 图2 制动器实验安装示意图 2 0 1 8 年第l 期煤矿机电 3 9 4 1 原制动器实验测试空转热功率 1 试验参数 摩擦副脱开间隙 m m 0 2 制动器状态空转 无制动 输入转速 r m in 1 19 0 0 冷却流量 L m in 1 1 5 冷却油型号6 8 号抗磨液压油 测点制动器冷却油进口与出口 测试时间 m in 3 0 2 测试结果 由图3 可知测试结果 原制动器进油口与出油 口平均温差约9 温度 温度 图3 原制动器冷油却进出口油温曲线图 3 原制动器热功率 根据热量公式 2 1 3 0 p c p g 1 0 0 0 3 式中 P 为空转热功率 k w p 为冷却油密度 p 9 1 5 k m 3 c为冷却油比热容 c 18 8 0J k g q 为冷却 流量 q 1 5I m in 0 2 5 1 0 m 3 s p 为冷却油 进出口温差 9 9 将所有数据带入式 3 得 尸 3 8 7k w 4 2 优化后制动器实验测试空转热功率 1 试验参数 摩擦副脱开间隙 m m O 4 制动器状态空转 无制动 输入转速 r m in 1 19 0 0 冷却流量 L m in 1 5 冷却油型号6 8 号抗磨液压油 测点制动器冷却油进口与出口 测试时间 m in 6 0 2 测试结果 由图4 可知测试结果 优化后制动器进油口与 出油口平均温差约5 5 3 优化后制动器热功率 按冷却进出口温差 p 5 5 C 将该数据代人式 3 得 P 2 3 7k w 图4 优化后制动器冷却油进出口油温曲线图 5 结论 1 从理论上分析了封闭式多盘湿式制动器空 转热功率的主要影响因素 考虑不影响整车性能 采 用减小摩擦片厚度 增大油膜间隙的方法可减小热 功率 通过了试验验证 解决了该矿用胶轮车液压 系统过热保护问题 2 摩擦副脱开间隙加大 会导致运动行程的加 长 制动灵敏度降低 制动时间加长 故降低制动器 空转热功率时应相互兼顾 参考文献 1 杨韬仁 王晋凤 宋恩泽 等 矿用防爆胶轮车的制动形式 J 机械管理开发 2 0 0 2 3 3 1 3 3 2 成大先 机械设计手册 M 第一卷 北京化学工业出版 社 2 0 0 4 3 彭春保 周常飞 汪崇连 湿式多盘制动器非制动状态下的温 度场分析 J 煤矿机电 2 0 1 2 6 4