大型矿车制动器摩擦副热力间接耦合分析

摘要

大型矿车在矿山开采运输中担任着主力作用，制动器则是矿车安全运行的可靠保障。在矿车大型化、智能化和安全化发展的今天，每年因制动失效原因造成巨大损失，引起人们对制动器安全可靠性的进一步重视和研究。制动器在工作中摩擦副连续生成并较快积聚热能并产生热应力，容易诱发制动器摩擦副热裂纹、热衰退、热翘曲等问题，甚至将导致制动器失效，对大型矿车盘式制动器的深入分析和研究引起国内外研究者和生产者的关注。
　　本文以某大型矿车盘式制动器为研究对象，在研究其工作原理和工况的基础上，采用通用CAE工具软件ANSYS，用有限元数值模拟方法，针对某一大型矿车盘式制动器的实际尺寸和工况，建立三维瞬态有限元模型。在不同工况条件下，运用热力学理论，模拟分析了大型矿车盘式制动器温度和应力场，并对温度场和应力场及其分布进行详细系统的分析。
　　本文的主要研究内容如下：
　　(1)介绍了大型矿车及盘式制动器的主要性能参数及工作方式，总结了国内外盘式制动器热-力耦合研究现状及分析了不足，阐述了热-力耦合相关的基础理论，包含摩擦接触原理、摩擦热及热传递、热力耦合方法等相关基础理论。
　　(2)结合某大型矿车盘式制动器的实际参数，建立了制动器有限网格划分模型，分析了考虑初始和边界条件、材料热物理性等因素，通过循环等位移的方法施加热流密度，对多种工况下的制动盘展开温度状态模拟。结果表明，温度场的分布具有区域性、周期性和非轴对称性的特点，制动盘表面区域温度梯度最大，里层节点有缓慢和较为明显的升温滞后现象。不同工况制动时间的不同，温度最高点峰值的出现时刻也不同，工况制动时间越长，峰值出现的越晚，但温度最高点峰值大致都出现在制动总时长约3/5的地方，表明制动中后期更容易引起材料的热膨胀变形且受热冲击作用更大，盘表面此时段更易产生裂纹。
　　(3)将不同工况制动盘接触面点温度曲线进行对比分析，发现初速度与制动盘表面温升速度成正比，制动总时长与盘表面最高温值成反比。紧急工况下温升速度要高于正常工况，且最高温值高出160℃左右，总体温度比正常工况要高，更容易出现热损伤。制动过程中制动盘表面最高温度集中在盘、片的摩擦接触区域，该区域节点温度在制动过程有震荡现象，这种制动过程中的周期性热回荡冲击容易引发热衰退与热疲劳使制动器失效。
　　(4)在紧急工况下，对制动器有限元模型下进行摩擦副的机械应力分析，制动盘两侧应力与摩擦片的应力基本对称分布，摩擦片尖角区域应力较大而且比较集中。说明可能摩擦片外围磨损会相对严重一点，侧面也证实了实际情况中对摩擦片边缘做倒角或弧形处理缓和尖角应力的原因。机械应力最高处在制动盘的内孔边缘处值为67.8MPa，远低于45Mn的屈服极限；用间接耦合法将温度场结果作为体载荷，采用循环加载温度场方式来求解热应力场。应力云图呈现环形分布，但周向分布情况并不对称，而且分布并不均匀，应力随着制动时间的延续有向盘内和非摩擦区域移动的趋势。应力出现最早范围不但存在摩擦区域内，还存在于非摩擦区孔内径周围。最小应力值发生于靠近摩擦区域的环形带中。可见，在制动盘最小摩擦半径周向的应力梯度比较大，该区域比较容易引起材料的应力变形，存在破坏隐患。耦合场下的Von Mises等效应力与单一场应力最值都出现在制动摩擦区域接触区，但前者最大力值比后者大了一个数量级之多，可见，对制动盘高应力产生的研究重点应放在制动盘热应力的分析中。
　　本文针对大型矿车盘式制动器摩擦副实际参数和工况进行的分析与研究，对摩擦副的工作情况和失效分析提供了理论依据，可为大型矿车盘式制动器安全结构优化设计提供参考。

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第1章 绪论

1.1 国内外矿车及制动器发展概况

1.2 本文研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究对象及主要内容

第2章 热-力耦合分析基础理论

2.1 接触理论

2.2 摩擦生热

2.3 热传导理论

2.4 有限元理论

2.5 热-力耦合求解方法

2.6 制动摩擦副应力场的基本理论

2.7 本章小结

第3章 矿车制动器工作原理及参数化建模

3.1 矿车制动系统

3.2 盘式制动器

3.3 制动盘性能要求

3.4 矿车参数及制动器建模

3.5 本章小结

第4章 矿车制动器温度场有限元分析

4.1 模型条件假设

4.2 有限元网分模型

4.3 模型初始边界条件设定

4.4 温度场有限元分析

4.5 不同工况矿车制动器温度场分析

4.6 不同工况下制动器温度场对比分析

4.7 制动时间对摩擦副温度场的影响

4.8 本章小结

第5章 应力场有限元分析

5.1 热力耦合分析

5.2 机械应力场

5.3 热应力场分析

5.4 本章小结

第6章 结论和展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献