【摘要】：為提升自冷式盤式制動器的散熱能力,增設(shè)強制通風(fēng)結(jié)構(gòu),在強空氣對流換熱條件下研究該制動盤的傳熱特性。分別采用解析法和有限元數(shù)值模擬方法求解出制動盤的一維穩(wěn)態(tài)過余溫度場和三維瞬態(tài)溫度場,并基于臺架試驗方法校驗瞬態(tài)溫度場的計算精度。結(jié)果表明:試驗結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的匹配性;對流換熱系數(shù)對于盤體溫度場的影響是非線性的,隨著強制對流換熱系數(shù)的增大,傳熱方向上的溫度梯度將顯著增大,散熱效率更高。通過強制通風(fēng)來增大對流換熱系數(shù)對于大運載能力的帶式輸送機(jī)制動器而言,具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
【圖文】：

式中，Ｒex為局部雷諾數(shù)，Pr為空氣普朗特數(shù)。帶式輸送機(jī)的制動盤為圓形對稱結(jié)構(gòu)，其沿徑向變化的局部對流換熱系數(shù)為h(r)=0.345λrＲe1/2r·Pr1/3Ｒer＜2.4×1050.0312λrＲe0.8rPr0.6Ｒer＞2.4×10{5(12)2一維穩(wěn)態(tài)傳熱問題的解析解2.1傳熱數(shù)學(xué)模型自冷盤式制動器的摩擦片為對稱結(jié)構(gòu)，使得盤體表面的熱流載荷為對稱分布，因此，可將制動盤的傳熱分析簡化為穩(wěn)態(tài)一維(軸向)的半模型求解，，其模型如圖1所示。在該傳熱模型中，可將沿程散熱量Φs(對流換熱和熱輻射作用)作為負(fù)內(nèi)熱源加入方程，其表達(dá)式為:Φ·=－ΦsAcdx=h+α()rPT－T()∞Ac(13)式中，P和Ac分別為換熱截面的周長和面積，m，m2;T∞為空氣溫度，K。模型的傳熱微分方程可轉(zhuǎn)換為:d2Tdx2－h(huán)+α()rPλAc(T－T∞)=0(14)由制動盤的材料屬性可知，其導(dǎo)熱系數(shù)與溫度之間有著顯著的線性遞增關(guān)系。為了更符合真實邊界條件，可將溫度屬性考慮在傳熱方程中。設(shè)Tm=T－T∞λ，通過線性回歸擬合，可得出Tm與溫度T之間的近似關(guān)系為:Tm=0.0219T－0.3832(15)令g=h+α()rPAi醕，則導(dǎo)熱微分方程(13)可轉(zhuǎn)化為:d2Tdx2－g(0.0219T－0.3832)=0(16)圖1制動盤一維半模型導(dǎo)熱示意圖2.2不同換熱系數(shù)下的結(jié)果給定方程(16)邊界條件后，即可以求出軸向方向的傳熱特性。為了研究不同強制通風(fēng)條件下的對流換熱效果，文中基于MATLAB，分別在對流換熱系數(shù)為ha=10W/(m2·K)、hb=60W/(m2·K)和hc=160W/(m2·K)條件下求解軸向方向上的過余溫度［6］分布，計算中綜合采用第一類和第二類邊界條件，?

方程(13)可轉(zhuǎn)化為:d2Tdx2－g(0.0219T－0.3832)=0(16)圖1制動盤一維半模型導(dǎo)熱示意圖2.2不同換熱系數(shù)下的結(jié)果給定方程(16)邊界條件后，即可以求出軸向方向的傳熱特性。為了研究不同強制通風(fēng)條件下的對流換熱效果，文中基于MATLAB，分別在對流換熱系數(shù)為ha=10W/(m2·K)、hb=60W/(m2·K)和hc=160W/(m2·K)條件下求解軸向方向上的過余溫度［6］分布，計算中綜合采用第一類和第二類邊界條件，即一側(cè)為恒溫150℃，另一側(cè)為絕熱條件。通過計算，最終得出不同換熱系數(shù)下軸向的過余溫度曲線如圖2所示。圖2中可以看出:制動盤的過余溫度在軸向方向上的變化具有顯著的拋物形狀;換熱系數(shù)對于整個傳熱過程的影響為非線性的，隨著換熱系數(shù)的增大，傳熱方向上的溫度梯度將增大，因此可實現(xiàn)更高的散熱效率。圖2不同對流換熱系數(shù)下的軸向過余溫度3三維有限元瞬態(tài)傳熱分析3.1有限元模型的確立直接采用解析法求解制動盤的三維瞬態(tài)傳熱微分方程在數(shù)學(xué)上存在較大困難，但通過有限元數(shù)值模擬方法可方便地計算出整個盤體的溫度常本文采用ANSYS/Workbench來實現(xiàn)強制空氣對流換熱條件下的礦用自冷盤式制動器的傳熱分析。文中所研究的核心問題為強制對流條件下的制動盤傳熱，因此，為了提升計算效率，模型忽略熱應(yīng)力耦合效應(yīng)［7］，采用TransitThermal模塊實現(xiàn)制動盤的三維瞬態(tài)傳熱分析，在該模塊中，設(shè)置傳熱分析的總時間為120s，迭代時間步長為0.1s。在瞬態(tài)傳熱模型的預(yù)處理階段，需要完成的關(guān)鍵工作有:1)劃分熱載荷面。在DesignModeler中，采用曲面slice方式劃分出兩端面的環(huán)形熱載荷面。2)網(wǎng)格劃分。采用較大數(shù)值的相關(guān)度以及局部優(yōu)化的方式對整個模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，最終得出模型的單元數(shù)量為128553，
【作者單位】： 青島黃海學(xué)院;
【分類號】：TD528.1

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本文編號：2531939