制动时间对起重机制动器温升的影响研究

姚文庆，刘 华，周建波，许海翔

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333）

0 引言

制动器既是起重机工作机构的控制装置，又是起重机的安全保护装置，其制动过程是将起重机运动动能或势能转变为摩擦热能的过程。在制动过程中，因摩擦片与制动盘持续摩擦产生大量的热量使得其温度迅速升高。由于起重机的间歇性工作特点，当工作级别比较低、装卸效率不高的情况下，起重机制动器摩擦片的温升对起重机制动器性能影响较小。随着起重机向高速化、大型化和专业化等方面的发展，对起重机制动器的工作可靠性、操作频率、安全寿命等性能参数方面提出更高的要求。其制动器摩擦副的温升已经成为一个不能忽视的问题，这不仅加剧了摩擦材料的磨损，而且会使其摩擦系数降低，严重时会出现热衰退甚至失效[1-2]，对起重机械的安全运行构成严重的威胁。因此，开展制动器温度场的研究对于制动器以及起重机的设计和安全运行都具重要的现实意义。根据制动器的实际工作情况，运用热传导及摩擦学理论，建立起重机制动器三维有限元摩擦生热模型，研究不同的制动时间对制动器摩擦片温升的影响。

1 热-弹性耦合模型

在制动器制动过程中，摩擦片以一定的压力压制动盘产生摩擦力使起重机停止运行或支撑住重物，同时由于摩擦作用，在摩擦界面产生大量的热量。为了得到摩擦片和制动盘的温度场分布情况，需要确定假设条件和准确设定各边界条件来求解热传导方程，热传导方程参见参考文献[2-4]。

1.1 假设条件

建立有限元模型时，作以下假设。

a.材料特性为各向同性，摩擦系数以及材料的物理特性不随温度的变化而变化。

b.假设在接触区域内盘、片界面之间无接触热阻，进入到摩擦片的热流密度分配系数表达式如下[4]：

其中，Kd，Kp分别为盘、片热传导率；kd，kp分别为盘、片热扩散率。

c.在分析过程中，制动盘以匀减速度运动方式运转，其瞬时速度ω表达式为[5]：

其中，ω0为初始制动角速度；tb为制动时间。

d.由于制动时间较短和摩擦温度相对较低，故忽略热辐射作用[4]。

e.摩擦功全部转化为热流密度。

1.2 热边界条件

要准确求解热传导方程，需要设定热边界条件[1]，热边界条件具体如下：盘、片接触的摩擦表面上有摩擦热流的输入及他们之间自然热传导，在非接触表面上存在与空气的对流换热。摩擦片的背面远离摩擦面，且与支撑钢背相连，认为是绝热表面，如图1所示。

图1 制动器热分析边界条件（圆周方向）

1.3 约束条件

在制动过程中，摩擦片固定在钢背上，仅能沿着制动盘轴向位移。由于钢背沿着制动盘径向的刚度大于制动片的刚度，故设定两个参考点，将摩擦片背面与参考点刚性相连，同时将两个刚性面保留轴向（Z向）位移自由度，其余自由度均施加约束。在两个参考点上施加制动器夹紧力（Z向）；为使制动盘能够转动起来，在制动盘的轴心点设置一个参考点，将制动盘轴孔表面与参考点刚性连接，将参考点仅保留绕轴向旋转自由度，同时在参考点上施加旋转角速度，使得参考点带动整个制动盘旋转起来。

2 仿真实例

2.1 仿真参数

以YPZ630×30型电力液压盘式制动器为研究对象，其对应的制动盘的外径为630mm，厚度为30 mm；材料选用为钢，摩擦材料为树脂基复合材料，材料物理性能参数如表1所示。摩擦片的夹紧力为6 000N；盘、片所有节点的初始温度设置为20℃；制动初速度为750r／min。

表1 摩擦副材料的物理特性

2.2 网格划分

在abaqus软件中建立盘式制动器装配体简化模型，包含一个制动盘和两个制动盘，将制动盘划分为2 016个单元，节点数为2 664个，每个摩擦片单元数为96个，节点数为180个，单元类型为8节点热-结构耦合实体单元。有限元模型如图2所示。

图2 盘式制动器有限元模型

2.3 仿真结果和分析

分别计算制动器时间为0.2s，0.5s，1s，1.5s时，制动盘、片的温度场，获得4种制动时间的摩擦片温度最高时刻温度场，分别如图3a、图3b、图3c及图3d所示。1.5s制动时间时节点号80的温度随时间变化的曲线如图4所示。

根据仿真结果（图3、图4）可以得知：

a.摩擦片表面的温度随着制动时间的增加而增加，这是因为随着制动时间的增加，制动距离相应增加，制动器做功时间也增加，产生的热量也增加。

b.从不同制动时间摩擦片的温度场分布情况来看，制动片表面的温度分布并不均匀，摩擦片与制动盘接触的出口处的温度要高于入口处，且摩擦片最高温度出现在靠近出口处的区域。

c.在制动过程中，由于摩擦副产生热量的速度要远高于热量向内部传递的速度，这使得摩擦片表面的温度快速上升，摩擦片表层温度要高于其他部分的温度。从整个摩擦片的温度场分布来看，摩擦表面积聚的热量最多。所以，相对来讲，摩擦表面最容易出现热衰退，从而引起闸瓦失效，影响制动器的制动性能和可靠性。

d.摩擦片在制动初期温度迅速上升，然后随着制动盘转速的降低，温度上升逐渐变缓，当摩擦片和制动盘之间的相对速度低于一定的数值时，制动片表面的温度不再上升，而是缓慢下降，这是因为开始时制动盘转速高，产生的热量比较多，摩擦副产生的热量多于由于传导和对流所损失的热量，所以温度迅速上升；随着速度的降低，产生的热量也随之减少，温度上升趋于平缓；当速度降低到摩擦副产生的热流量小于热传导和对流所损失的热量时，摩擦片的温度就会出现下降。

3 结束语

在制动初速度和制动力不变的条件下，随着制动时间的增加，制动器制动距离增加，摩擦力做功时间也相应增加，制动器温度也会逐渐提高。当起重机工作级别比较低，装卸效率不高的情况下，由于起重机的间歇性工作，温升对制动器的影响较小，但是随着起重机工作级别和装卸效率的提高，制动器温升对制动器性能具有较大的影响。严重的还可能会出现摩擦材料热衰退，引起起重机制动器功能失效，引起安全生产事故的发生。因此，有必要在起重机设计阶段和使用过程中综合考虑一些因素，并采取下列措施来减少制动器温升。

a.虽然制动时间越短，摩擦作功时间越短，制动器摩擦片温升也越小，但是若制动器的制动时间很短，由于瞬间制动对起重机带来很大的冲击载荷，会造成起重机的结构和机构带来损伤，影响起重机的安全运行，应根据相关技术规范和标准，综合考虑各部件的影响，确定一个合理的制动时间。

b.为避免制动盘与摩擦片长时间接触摩擦，使用中应该合理调节制动片的退距。

c.合理选择和调整制动器的制动力矩，避免因制动器制动力矩不足、制动器无法刹住制动盘而产生大量的摩擦热量。

d.采用电气制动方式实现起重机各个机构的减速，减小起重机械系统的动能以及盘、片之间的相对滑动速度，也就减少摩擦热量的产生，从而减小制动器的温升。

[1]Bakar A R Abu，et.Thermal analysis of a disc brake model considering a real brake pad surface and wear[J].International Journal of vehicle structure ＆ Systems，2010，2（1）：20-27.

[2]黄健萌，高诚辉，等.盘式制动器热-结构耦合的数值建模与分析[J].机械工程学报，2008，（44）2：145-151.

[3]朱真才，史志远，等.提升机盘形制动器闸瓦三维瞬态温度场仿真与试验分析[J].摩擦学学报，2008，28（4）：356-360.

[4]Adamowicz A，Grzes P.Analysis of disc brake temperature distribution during single braking under non-axisymmetric load[J].Applied Thermal Engineering 2011，（31）：1003-1012.

[5]Talati F，Jalalifar S.Analysis of heat conduction in a disk brake system[J].Heat Mass Transfer 2009，（45）：1047-1059.