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      新型式多盤止動器非恒態散熱性能的研討

      文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-11-27 15:12:00

        1散熱特性

        11概述為了將濕式多盤制動器的油溫控制在一定的范圍,濕式多盤制動器設計有冷卻系統,該系統可使濕式多盤制動器在某一時間內產生的熱量與在同一時間內所散發的熱量相平衡,這樣,制動器的油溫就可控制在一定的范圍內(濕式多盤制動器的油溫一般控制在120℃左右)。濕式多盤制動器工作過程中,其殼體連續的散熱過程為非穩態散熱過程,但若將其制動過程的時間段離散細化為微小的區間,這樣可把每個離散區間段視為穩態散熱過程,而后對其散熱過程利用穩態散熱過程特征進行溫升計算。

        12溫升模型的建立及整體散熱特性分析

        由于濕式多盤制動器在制動瞬時產生的制動熱不能即刻傳到油液中,而是被鋼盤吸收,因此制動熱能向油液中擴散須有個過程,這與油液的流動狀態、摩擦襯盤的導熱特性、對偶鋼盤的熱容量及其傳熱特性有關,此外還與外界環境溫度及空氣的流動狀況有關,因此制動熱能的產生具有瞬時性,而制動熱能的散發則具有過程性。因此,工作循環時間的長短、濕式多盤制動器殼體的散熱能力以及制動強度對濕式多盤制動器內油溫的升高程度影響很大。

        由于制動器中固定盤與摩擦盤之間的摩擦力矩所消耗的功等于車輛的制動能量E,而車輛的制動能量E等于車輛的動能Ei與勢能Ej之和。

        車輛在任一個工作時間段內的總制動能為E=∑nii=1Ei∑njj=1Ej=∑nii=112mv2i∑njj=1mghj(1)式中E――車輛制動時產生的總能量,JEi――車輛制動時產生的動能,JEj――車輛制動時產生的勢能,Jvi――車輛制動前的初速度,msg――重力加速度,ms2hj――路面斜坡高度,mm――車輛總質量,kg自冷式濕式多盤制動器工作時,內部油液在微小時間段內的溫升數學模型可近似表示為14T(1)E(1)=1T(1)[como(to1-t0)csms(ts1-t0)]ΑaA(to1-ta)(2)式中T(1)――第一微小時間段t0――初始溫度值(環境溫度)E(1)――時間段T(1)內其產生的能量Αa――總傳熱系數to1――在第一個時間段末的油溫ts1――在第一個時間段末殼體的壁溫ta――工作環境溫度co――油的比熱容cs――濕式多盤制動器制動件的比熱容mo――制動器油液質量ms――制動器質量在初始時,t0=ta;當T(1)時,認為to1=ts1。

        在T(1)時間段內,因c0、cs、Αa變化不大,可設為常數。

        同理,在第n個時間段內,濕式多盤制動器的溫升可近似表示為14T(n)E(n)=1

        T(n)[como(ton-to(n-1))csms(tsn-ts(n-1))]ΑaA(ton-ta)(3)式中T(n)――第n個時間段E(n)――時間段T(n)內所產生的能量當在第n個時間段T(n)時,認為ton=tsn。

        傳熱系數Αa的計算過程如下:

        由5=ΑaA(to-ta)=ΑA(tsn-ta)(4)

        式中Α――冷流體側空氣與濕式多盤制動器殼體外表壁面的傳熱系數tsn――濕式多盤制動器殼體外表壁面的溫度5――濕式多盤制動器傳熱過程的熱流量A――濕式多盤制動器散熱面積得Αa=tsn-tato-taΑ(5)由層流局部換熱系數的特征數方程式Nux=01332Re12Pr13(6)

        Nux=ΑxΚ(7)
        Re=w∞xΜ(8)

        式中x――離板前緣的距離Re――雷諾數w∞――空氣流動的速度,msΜ――空氣物理參數,m2sΚ――熱導率Pr――普郎特數Αx――局部對流換熱系數Nux――局部努塞爾數可導出平均換熱系數為Α=2Αx(9)
        通??諝獾亩ㄐ詼囟热γ=tsnta2(10)

        被測車輛一個工作循環的平均速度得為w∞=3ms.由文獻[2]的附錄4,查tγ下的空氣物理參數Μ、Κ、Pr,可求得Re與Nux及Α。不同時段的總傳熱系數Αa可由式(5)通過試驗所得ta、tsn、to來確定。由此,任一時間段T(n)的油溫ton可由式(3)通過循環迭代求出。油溫理論計算公式(3)的使用范圍在油的燃點之內,即to<[to],[to]=190℃。計算過程由Matlab編制的程序來實現。

        2試驗與理論計算分析

        濕式多盤制動器物理參數及裝載機在試驗時的工況參數如下:

        裝載機樣機型號為ZL50D;制動器油為GL4車輛齒輪油;摩擦襯盤的動摩擦系數為0105;制動器系統油液的液壓壓力為1MPa,制動時踩至其23處,則其壓力為5MPa.物理參數:co=1816×102J(kgK),cs=466J(kgK),mo=1013kg,ms=158kg,A=018m2.

        一般作業時,空車質量16t,鏟斗容量4t,工作循環時間T=35s,制動次數4次,重載速度19ms,空車速度19ms;強制作業時,空車質量16t,鏟斗容量5t,工作循環時間T=17175s,制動次數2次,重載時前進、后退速度為215ms.

        1理論計算結果與試驗場地實際測定的溫度數據

        理論計算結果與試驗場地實際測定的溫度數據見1所示。

        從1可看出,誤差已基本控制在工程許可的誤差范圍5之內。個別理論計算結果與實際測定油溫數據有誤差,是由于當時的試驗條件所限,試驗條件惡劣如下雨、刮風、制動狀態和油品的性能不太穩定、殼體正面壁面與側面壁面的油溫不相等等原因所致。

        油溫理論計算公式(3)的使用范圍應該在油的燃點之內,即to<[to],[to]=190℃。當to≥[to]時,公式(3)已超出其使用范圍。濕式多盤制動器的冷卻油溫一般控制在120℃左右,當油溫超過油的燃點時,濕式多盤制動器的冷卻油呈油氣兩相狀態(油的特性已變而失效),對于油氣兩相狀態,公式(3)已不適用,因散熱呈現多相性如汽化熱。

        3討論

        當ton=to(n1)時,說明由濕式多盤制動器制動時產生的熱與制動器本身散發的熱達到了熱平衡,油溫不再升高。則式(3)可化簡為14T(n)E(n)=ΑaA(ton-ta)(1)由式(1)可求得相應的T(n)與E(n)的匹配關系??梢?,提高工作循環時間T、減小制動能E(n)可以使油溫to降低,提高制動器的使用性能及其使用壽命。

        設to=120℃(制動器通常推薦最高容許的使用油溫),ta=20℃(空氣常溫),由式(1)可求得濕式多盤制動器的使用工況下E(n)與T(n)的合理匹配關系如下E(n)=400ΑaA

        T(n)(12)可見,選擇合適的工作循環時間T(高速重載運行、低速空載倒行、高速空載運行、低速重載倒行運行的總時間),可在滿足制動強度E(n)的使用條件下保持油溫穩定在任意合理的數值,如to=120℃。

        傳熱系數Αa、空氣對流換熱系數Αr、油對流換熱系數Αo、金屬殼體的導熱系數Κs、厚度s的關系為Αa=1Αr1ΑosΚs(13)可見,傳熱系數Αa的大小受傳熱系數小的空氣對流換熱系數Αr的影響最大,因此提高空氣對流換熱性能對提高傳熱能力尤為重要。另外,減少濕式多盤制動器表面的污垢也可提高濕式多盤制動器的傳熱性能。還可通過改變流態和增加流速,提高紊流強度,進而增強傳熱效果;擴展傳熱面傳熱系數小的一側的面積如增加肋片,也可提高傳熱效果;使用添加劑改變濕式多盤制動器內部流體的物性,可達到強化傳熱效果;改變換熱面的形狀、大小及其表面狀況,可增強濕式多盤制動器的傳熱效果;依靠車體外力使濕式多盤制動器的傳熱面和流體產生振動,進而可強化其對流換熱效果。

        4結論

        (1)建立的自冷式濕式多盤制動器內部油液溫升計算的數學模型是可行的,計算結果能反映濕式多盤制動器內部油液溫升的熱特性狀況,可用于濕式多盤制動器內部油液溫升的預測及分析計算,有工程使用價值。

        (2)選擇合適的工作循環時間,可在滿足制動強度使用條件下保持油液溫度合理的數值,提高空氣對流換熱性能或減少濕式多盤制動器表面污垢可以有效地提高濕式多盤制動器的整體散熱性能。

       

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