单轨吊液压制动系统的设计与仿真研究

陈继涛　陈玉水

【摘 要】对单轨吊液压制动系统进行了整体设计和参数计算，确定了液压结构布置方式与制动参数，并基于COMSOL对制动器进行了瞬态温度场分析，通过对单轨吊液压制动系统的设计与仿真，保证了系统制动能力。

【关键词】单轨吊；液压制动；温度场

目前，盘式制动在单轨吊制动系统中越来越广泛，其在制动过程中的制动力矩较大，散热效果理想，在运动方向上不会影响制动能力[1]。为了进一步保证和提升系统的制动安全性，文中对液压制动系统进行了理论分析与数值模拟，这对于单轨吊工作的稳定性有着重要的意义。

1 液压制动系统设计

1.1 总体设计

一般地，液压制动系统根据流体回路的数量分为两种：单回路与双回路[2]。其中，单回路系统结构简单，成本低廉，但是可靠性能存在不足，当系统出现漏油现象时，无法使用备用的制动系统，存在一定的安全隐患。因此，在很多设备的制动系统中，已经不允许单回路制动系统的设计，因此，文中对于单轨吊液压制动系统，采用双回路制动。

在双回路制动系统中，制动力主要由液压缸实现，制动主缸内的油液压力直接决定了系统的最大制动力矩，文中在双回路系统中，采用将主缸串联的方式进行设计。在液压制动过程中，当主制动回路出现漏油等故障时，备用液压缸能够正常工作，主制动液压缸中的活塞杆的顶杆接触到备用活塞时，备用液压缸中的油压将迅速升高，达到制动载荷。对于双回路制动系统，在可靠性与安全性上具有较大的优势，但是在一定程度上讲增大制动行程，影响效率[3]。

1.2 参数计算

单轨道在进行制动时，液压系统中的活塞能够通过液压动力推动摩擦片压向制动盘，摩擦片与制动盘的摩擦产生制动力矩使单轨吊制动，其制动原理如图1所示。

式中，f为制动盘与摩擦片摩擦系数，N为摩擦片对制动盘的单侧压力，R为作用半径。选择制动盘材料45Mn，摩擦片为粉末冶金材料。

2 制动仿真

文中通过多物理场耦合软件COMSOL，对单轨吊制动盘进行长时间（100s）制动模拟[4]，其中，模型省略了法兰结构中的螺孔，其制动力由参数计算获取，为了得到初始制动压力，假定摩擦系数不变，取在20℃的温度下的摩擦系数0.25。最终得到瞬态温度场云图如图3所示，提取制动器最高温度变化如图3所示。从仿真分析结果中可以看出，在制动初始状态时，由于摩擦生热作用，瞬时最高温度在接触区的切入端产生，并随着热传导作用，高温分布区域向制动盘的外径方向延伸。在整个制动过程中，温度场为非对称分布，由于接触区域之间的摩擦生热速率要比制动盘材料内部的热传导的速率大，在制动停止之前，接触位置处的温度一直高于其他位置，通过温度场的特性能够推断出制动盘的结构属性。

为了研究摩擦副面积对于温度场的影响[5]，文中将摩擦片夹角作为参变量进行对比分析，结果表明：当摩擦片与制动盘之间的接触面积减小时，摩擦副产生的热量减少，但是，由于摩擦片的表面积较小，其实际散热面积减小，导致其极限温度略有升高。对于单轨吊制动系统而言，制动结构的紧凑型对于整个系统的安装、维护更加重要，因此，在保证制动温度可靠的前提下，可以通过减小摩擦片夹角进行制动器的结构优化。

3 结语

单轨吊的液压制动系统对于单轨吊的安全性和可靠性均有着重要的意义，文中针对液压制动的特点，选取双回路制动，通过参数计算推导出保证系统正常工作下制动力矩，最后基于COMSOL的瞬态温度场分析，得出了制动器的温度分布特性。

【参考文献】

[1]蒋京，夏群生，等.盘式制动器重复制动温度计算[J].汽车工程，1996，18（3）：168-174.

[2]罗勇，寇子明.单轨吊液压系统建模与仿真[J].机械管理开发，2004（9）.

[3]王开松，王修宏.在综采工作面顺槽采用单轨吊[J].煤矿机电，2004（3）.

[4]吴婧斯，万里翔，张新. 紧急制动工况下汽车盘式制动器温度场和热应力场仿真分析[J]. 北京汽车，2010，06：30-33.

[5]赵海燕，张海泉，汤晓华，林健，蔡志鹏. 快速列车盘型制动热过程有限元分析[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，05：589-592.

[责任编辑：曹明明]