提升机摩擦热分析及温度场研究

石国庆

【摘 要】本课题结合煤矿副井摩擦式提升机现场实际生产情况，利用提升机安全性能检测仪对其运行时的各项性能参数进行测试，经过测试得到的有关数据对其进行安全性能与摩擦热方面的研究，探究实际运行工况下摩擦衬垫温度场变化规律。利用ANSYS软件中的热分析模块分析摩擦衬垫温度场，得出了不同提升速度、載荷下的温度场变化规律，实现了对衬垫在不同提升工况下温度的预测；开展实际生产工况下滑动摩擦试验，验证了理论模型的正确性；本文为衬垫的设计和矿井提升机安全可靠运行提供了参考。

【关键词】摩擦衬垫；温度场；有限元；数值模拟

1 课题研究背景及意义

近两年对提升机摩擦热的研究论文不是很多，对摩擦热分析研究主要集中闸轮和闸瓦、汽车刹车等汽车领域，而未来煤炭在能源中基础地位不会改变，仍然有必要对提升机摩擦热方面开展研究。由于生产条件的限制，当前对提升机钢丝绳和衬垫间的摩擦热分析主要还是在实验室中进行，而对大型重载情况下的现场研究不是很多，本文则是基于现场实际生产，利用提升机检修更换衬垫期间，开展实验研究，探寻现场实际生产条件下提升机摩擦热及温度场的分布规律。

2 研究的主要问题

（1）进行实际提升工况下的滑动摩擦试验，验证理论模型的正确性；

（2）利用ANSYS有限元分析软件中的热分析模块，分析不同提升速度和载荷下的衬垫温度场变化规律。

3 摩擦实验

3.1 实验简介

在提升机检修更换衬垫时开展了此实验，用要更换的旧衬垫做提升机防滑试验，这样即使温升对摩擦衬垫有损坏，也不影响生产。为了做提升机钢丝绳与衬垫间滑动摩擦试验，首先需确定加多少载荷时才能滑动，为此需进行防滑验算。已知所研究提升机正常提升时滚筒两侧的张力：重载侧张力：T1j= 138457N； 轻载侧张：T2j=99192N；此时静防滑和动防滑验算都合格。当施加到钢丝绳重载侧的张力为158000N，钢丝绳的静防滑和动防滑验算都不合格，即可做钢丝绳滑动试验。已知正常提升时实际载荷为35316N，不满足防滑验算时实际载重：Q=158000-138457+35316=54859N， 后面若要增加载重，应保证钢丝绳安全系数在允许范围之内，提物安全系数要大于7.97，已知绳子破断拉力总和为1553280N，则最大允许 T1j=1553280/7.97=194863N，所以第二次可施加超载重量64859N。为探求摩擦衬垫温度场的变化情况，本文分别做了不同提升工况下的摩擦实验，通过测量不同工况下摩擦力、温度等参数，以期获得摩擦温度场；为此利用两台提升机安全性能测试仪分别测钢丝绳和滚筒的运动速度，它们之间的差值即为滑动速度；利用两台红外测温仪，分别在提升机两侧记录衬垫不同工况下温度变化。

3.2 实验结果

表1 不同提升工况下实验结果

4 摩擦衬垫温度场的有限元分析

4.1 有限元模型

摩擦衬垫有限元计算的前提条件，因为钢丝绳不是均匀材质，为了便于分析，对衬垫和钢丝绳做了一些假设：衬垫和钢丝绳都是均匀材质，形状不发生变化；衬垫没有参与摩擦的接触面认为绝热的；衬垫在摩擦区域内受热是均匀分布的。基于上面的假设，得到图1简化后的模型。

4.2 衬垫模型网格的划分

把研究对象划分成有限个单元，在径向和周向分别划分为18和120等分，共得到2299个节点。我们将其看成一维空心圆柱体非稳态导热模型，由于其对称的形状，所以只分析其一横截面即可。

4.3 摩擦衬垫材料的尺寸和物理参数

（1）衬垫尺寸：内径11mm，外径77mm。

（2）物性参数：新型衬垫GM-3，密度ρ为1360kg/m3，比热容cp为1842.2J/（kg·℃），导热系数λ为0.145W/（m·℃）；动力参数：T2j为99192 N，滑动速度v分别为0.034mm/s， 0.073mm/s，0.102mm/s。

4.4 摩擦衬垫的边界条件及热流密度

摩擦衬垫的初始条件和边界条件为：初始时间τ=0，初始环境温度t0=19℃；初始边界条件为：ab、bc和cd边都为绝热条件，在 ad 边上施加热流；施加到ad边上热流密度计算公式[1]：

q0=0.05T2j（exp（μα0）-1）v/（πr0Rα0）

滚筒与钢丝绳间的围包角为180度，摩擦系数μ取0.22，两者之间的摩擦热有5%分配到了衬垫上，自然对数e=2.7182，分别计算出不同测试条件下的衬垫热流密度为：q1为418.11J/（m^2.s）；q2为897.71J/（m^2.s）；q3为1254.34J/（m^2.s）；这些数据将在温度场的求解中用到。

4.5 不同条件下温度场的求解方案

在此设计了两种提升速度，分别是7.932m/s、3.000m/s，分别表示提升速度在高速、中速下的温度场求解方案；还设计了54859N和64859N两种载荷下的温度场求解方案。本文讨论的衬垫模型x方向代表是滚筒轴向，y方向代表的是滚筒径向。

4.6 常规后处理和时间后处理结果

由ANSYS有限元分析软件模拟结果可以看出在不同的速度条件下温度场的情况，可以看到在3.00m/s的时候，最高温度为25.21度，在7.932mm/s情况下，最高温度达到32.33度， 从而可以推测出随着提升速度的增加，摩擦衬垫温度的也随之升高。在相同的速度、不同的载荷条件下温度场的变化情况，可以看到在54859N的时候，最高温度为32.33度，在64859N情况下，最高温度达到37.63度， 从而可以推测出随着提升载荷的增加，摩擦衬垫温度也随之升高。而不同提升工况温度场分布情况却没多大变化，摩擦衬垫温升波动主要集中在衬垫表层，最低层则没有什么波动。通过ANSYS有限元分析软件模拟结果还可以看出每一个节点处的温度随时间的推移，温度逐渐升高，衬垫薄出的节点曲线斜率大，温升变化大，衬垫厚处的节点曲线斜率小，温升变化不明显。在前面时间内衬垫厚度薄处的曲线斜率比较大，所以它的温升和热流梯度也比较大，处在于非稳定阶段，随着时间往后发展，热流梯度和温升曲线逐渐平缓。ANSYS软件数值模拟部分结果如图2至图5所示。

4.7 数值模拟与实测温度

5 结论

（1）由ANSYS有限元分析软件模拟结果可以看出求解结束后某一时刻模型内的温度和热流密度分布，随摩擦衬垫半径的增大，温度逐渐也减小，其等温线为一簇同心半圆；其热流密度在摩擦衬垫模型内中呈现出左右对称的状态，表现为辐射发散状态逐渐减小。不同提升工况对温度场的分布规律没有影响。

（2）现场实际生产条件下衬垫温度场的分布规律：随提升载荷、速度的增加，摩擦衬垫温度也随之升高；温度在半径方向的变化特征是中间温度比两边大，在衬垫的外沿温度几乎不变；摩擦衬垫温升波动主要集中在衬垫表层，因而在表层容易磨损；对实际工况下所测的衬垫温度升高值与数字模拟出来温度升高值进行比较，可知两者吻合程度较好，从而验证了理论模型的正确性。

【参考文献】

[1]韩东太，杜雪平.矿井提升机摩擦热分析及衬垫温度场数值模拟[J].矿山机械，2007，36（12）：79-81.

[责任编辑：朱丽娜]