摩擦提升滑动时衬垫瞬态温度场数值模拟.pdf

第3 7 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．4 2 0 0 8 年7 月 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g yJu 1 ．2 0 0 8 摩擦提升滑动时衬垫瞬态温度场数值模拟 彭玉兴，朱真才，陈国安 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 2 2 1 1 1 6 摘要根据钢丝绳与衬垫间的摩擦传动方程以及摩擦提升滑动过程特性，基于热传导理论构建 了衬垫瞬态温度场模型；应用积分变换法推导出衬垫温度场解析计算式．以摩擦提升超载滑动的 2 种工况为例，对衬垫温度场进行仿真试验，结果表明滚筒静止时，衬垫温度随围包角增大而增 大，且随相对滑速的增加而急剧升高；当滚筒转动时，衬垫温度在受热和散热循环中上升，总体温 度较滚筒静止时低且较小围包角处温升滞后．摩擦热量集中在热影响表面层，其厚度仅为4 m m ，接触表面温度梯度最大，沿绳槽径向迅速减小；温度梯度和热影响表面层厚度随相对滑速 的增大而增大；衬垫温度沿径向急剧降低且随圆心角增大而减小；并得到了2 种滑动工况下衬垫 失效时的相对滑速和滑动距离，为摩擦提升防滑设计提供理论依据． 关键字摩擦提升；滑动；衬垫；瞬态温度场；积分变换法；数值仿真 中图分类号T D5 3 ；T K1 2 3文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 一0 5 2 6 一0 6 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fL i n i n g ’sT r a n s i e n tT e m p e r a t u r e F i e l dD u r i n gS l i d i n go fF r i c t i o nH o i s t ’sS 1 i d i n g P E N GY u x i n g ，Z H UZ h e n - c a i ，C H E NG u o - a n S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t “c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ef r i c t i o nd r i v ee q u a t i o nb e t w e e nt h el i n i n ga n dw i r er o p e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fs l i d i n gp r o c e s so ff r i c t i o nh o i s ta n dt h et h e o r yo fh e a tc o n d u c t i o n ，am o d e lo fl i n i n g ’s t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dw a se s t a b l i s h e da n di t sa n a l y t i cs o l u t i o nw a so b t a i n e db ya ni n t e g r a l t r a n s f o r mm e t h o d ． A c c o r d i n gt ot h et w os l i d i n gc o n d i t i o n so fo V e r l o a d i n gh o i s t ，t h el i n i n g ’s t e m p e r a t u r ef i e l dw a ss i m u l a t e d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el i n i n g ’st e m p e r a t u r ei n c r e a s e dw i t h t h ei n c r e a s i n go fw r a pa n g l e ，a n ds h a r p I yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fr e l a t i V es l i d i n gs p e e d w h e nt h ed r u mi ss t a t i c ．T h et 毛m p e r a t u r eo fl i n i n ga l s oi n c r e a s e dw h e nt h ed r u mi sr o t a t i o n a l ， b u ti tw a sl o w e rt h a nt h a tw h e ns t a t i c ，a n dd e l a y e dt oi n c r e a s ea ts m a l l e rw r a pa n 9 1 e ．T h ef r i c t i o n a lh e a te n e r g yw a sc o n c e n t r a t e do nt h et h e r m a le f f e c tl a y e r T E L w i t ht h et h i c k n e s so f4 m m 。T h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to fc o n t a c ts u r f a c ei st h eh i g h e s t ，a n dd e c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h e r a d i u sd i r e c t i o no ft h el i n i n g ’sg r o o v e ．T h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dT E L ’st h i c k n e s si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es l i d i n gs p e e d ． T h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e dr a p i d l yw i t ht h er a d i u sd i r e c t i o na n da l s ow i t ht h ei n c r e a s i n go fc e n t e ra n g l eo ft h el i n i n g ’sg r o o V e ．T h es l i d i n g s p e e da n dd i s t a n c ea r eo b t a i n e du n d e rt w os l i d i n gc o n d i t i o n sw h e nt h el i n i n gf a i l s ，w h i c hs u p p l yt h et h e o r e t i c a lb a s i sw i t ht h ea n t i s l i pd e s i g no ff r i c t i o nh o i s t ． K e yw o l d s f r i c t i o nh o i s t ；s l i d e ；l i n i n g ；t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ；i n t e g r a l t r a n s f o r mm e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 收稿日期2 0 0 7 1 1 1 3 基金项目高等学校博士学科点专项科研基金项目 2 0 0 6 0 2 9 0 5 0 5 ；教育部新世纪优秀人才支持计划项目 N c E T 0 4 一0 4 8 8 作者简介彭玉兴 1 9 8 3 一 ，男，江苏省江阴市人，博士研究生，从事衬垫热应力耦合行为方面的研究． E - 眦i I p e n g y u x i n g c u m t 1 2 6 ．c o m T k l 1 3 8 0 5 2 0 9 6 4 9 万方数据 第4 期彭玉兴摩擦提升滑动时村垫瞬态温度场数值模拟 5 2 7 摩擦提升机在超载提升等工况时，钢丝绳与衬 垫之间易发生相对滑动，一旦发生相对滑动，将严 重威胁矿井安全提升．而相对滑动产生的摩擦热能 所引起的温升是影响其摩擦学性能[ 1 嵋] 、从而影响 提升安全的重要因素，因此有必要对摩擦提升滑动 时衬垫温度场进行研究．目前所建立的衬垫温度场 模型都是基于钢丝绳与衬垫间较低的匀速滑 动[ 7 ．8 ] ，难以真实反映摩擦提升滑动过程中温度场 随工况变化规律．为了准确掌握摩擦提升滑动过程 中衬垫温度场变化规律，本文结合矿井摩擦提升超 载滑动实际工况，基于热传导理论开展衬垫瞬态温 度场研究，旨在为摩擦提升机防滑设计提供理论依 据． 1 理论模型 1 ．1 摩擦传动原理 摩擦提升机依靠钢丝绳与衬垫间的摩擦力提 升重物．根据欧拉公式得摩擦传动方程 ， T 2 一T 1 一T 1 矿。一1 ， 1 式中，为钢丝绳与衬垫间的摩擦力；T 。，疋为滚 筒两端钢丝绳张力 L o ， 1 4 a 亍 口。，忍，f 贰 归o ， 1 4 b 式中A 口。，熙，￡ 口r _ 半l 于f 岛，￡ L I 口军。 竿l 陆。力 胁 芈4 “ I 陆以 堡掣7 。] ，其中疗 玎』 歹一1 ，2 ． 根据方程 1 4 求得亍 ％，风，￡ ，应用逆变公 式 1 0 ， 1 2 对得到的亍 ％，风，￡ 进行逆变换，即 得到衬垫口。截面处瞬态温度场 m 以牡耋薹错鬻一 『_ 氨 f ‘e 一砩t ’A 口。，岛，￡ d ￡，] ． 1 5 3 数值仿真 3 ．1 计算参数 衬垫、钢丝绳和滚筒尺寸参数口 O ．0 1 4m ，6 0 ．0 4m ，a o c ，R 1 ．4m ；钢丝绳根数竹 6 ，钢 丝绳与衬垫间的摩擦因数卢一0 ．2 ；m ，，m 。分别为 2 16 4 9 ，5 07 6 2k g ，超载时提升载荷Q 2 35 4 7 k g ，提升阻力系数K 1 ．1 5 ；衬垫材料G M 一3 的热 分解温度为5 9 3 ．1 5K ．衬垫与钢丝绳的热物性能 参数如表1 所示． 表1 摩擦副热物性能参数 T a b l e1F r i c t i o np a i r ’sp a r a m e t e ro f t h e m a lp h ”i 璐p r o p e r t i 器 密度／比热容／导热系数／初始温 k g m 一3 J k g 一1 K 一1 w m 一1 K 一1 度／K 3 ．2 仿真结果分析 根据上述超载提升滑动力学模型中2 种滑动 工况一滚筒静止和滚筒转动，并基于上述温度场理 论模型，对衬垫瞬态温度场进行数值仿真，图5 ～7 所示为部分仿真结果． 图5 不同滑动工况衬垫温度变化瞌线 F i g ．5T e m p e r a t u r ec h a n g ew i t h d i f f e r e n ts l i d i n gc o n d i t i o n s 由图5 可知当滚筒静止时，衬垫温度随相对 滑速的增加而急剧升高，相对滑速为7 ．3 6m ／s 时， 衬垫温度达到热分解温度而失效．当滚筒转动时， 衬垫温度在受热和散热循环中上升，故温升缓慢， 衬垫失效时的相对滑速为8 ．6m ／s ；随着相对滑速 的增加，温度循环周期变短，热流密度和对流换热 系数不断增大，温度变化更加剧烈．在滚筒转动过 程中，衬垫温度总体较滚筒静止时低，其循环周期 内的最高温度与滚筒静止时温差逐渐增大，但衬垫 温度在第1 个温度循环上升过程超过滚筒静止时 温度．这是因为滑动初始阶段，对流换热系数较小， 滚筒转动时口增大导致热流密度的增大，而滚筒静 止时口是不变的．由式 2 和式 3 可得2 种工况 下衬垫失效时相对滑动距离分别为5 1 ．3 5m 和 9 1 ．4 3m ，可见滚筒转动过程中循环散热有效减缓 了衬垫温升． 图6 所示为滚筒转动时衬垫径向温度梯度的 变化规律．由此看出热影响表面层温度变化剧烈， 接触表面 r O ．0 1 4m 温度梯度最高且沿径向迅 速减小；温度梯度和热影响表面层厚度随相对滑速 的增大而增大． 万方数据 5 3 0中国矿业大学学报第3 7 卷 图6 衬垫径向温度梯度变化曲线 F i g ．6C h a n g eo ft e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nr a d i a ld i r e c t i o n 为了深入研究滑动过程中衬垫内部温度变化 规律，分析了不同吼，口和r 处衬垫温度变化情况， 如图7 所示． 图7 a 表明滚筒静止时衬垫温度随a 。增大而 增大且不同口。处温差随相对滑速的增加而增大， 滚筒转动时较小a 。处温升滞后于较大口。处，这是 6 0 0 5 5 0 崔；兰 4 。。 3 5 0 3 0 0 Ol23456789 ∥ m ‘s “ a J 们处 6 0 0 5 5 0 5 0 0 2 啬4 5 0 4 0 0 3 5 0 兀／2 ，r O ．0 1 4 口 OP 滚筒 g 裂到静止 口 OP 滚筒 旦 Ⅱ／4 f 转动 口 霄／2 ’上 由于不同口。处热流密度不同导致温升速度差异引 起的．滚筒转动时，由于不同口，处受热和散热时间 差异，衬垫在换热循环中峰值温度随口，的增大而 降低；不同口，处峰值温差逐渐减小，这是因为热流 密度和边界换热系数随着相对滑速的增加而增大． 由图7 b 可知由于较大臼处与外界热交换较多，衬 垫温度随臼的增大而降低且不同口处温差随着相对 滑速的增加而逐渐增大当相对滑速为3m ／s 和7 m ／s 时，滚筒静止时护为。和丌／2 处的温差分别为 2 5 ．8K 和8 8 ．4 5K ．图7 c 表明衬垫温度沿径向急 剧降低，径向温差随着滑速的增大而增大．当相对 滑速为7 ．3 6m ／s 时，滚筒静止时接触表面的温升 为3 0 0K ，而在r O ．0 1 8m 时，温升仅为5 ．6 8K ． 结果表明衬垫热扩散性能差，摩擦热量集中于热影 响表面层，其厚度仅为4m m ． OI23456789 √ m s 。1 b 口处 6 0 0 5 5 0 5 0 0 蟹 苗4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0雾黝 ．o _ r O0 1 7 m I，- ；『I o r o ．0 1 8 m 1 滚筒，，tJ 、 ．一r 0 ．0 1 4r n P 转动／，l f 、 ⋯， 0 ．0 1 5m I j r ，，l ／j ，⋯．， O ．0 1 6m l - ∥l，；＼上p ， ⋯r o ．叭7 m l ／／＼，月， 一， 0 ．0 1 8n ／／＼．L 口一一．，， - ，／I ≯V ，r． 图7 不同a 。，口，r 处衬垫温度变化曲线 F i g ．7T e m p e r a t u r ec h a n g ew i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f 口l ，口，r 4 结论 1 基于热传导理论构建了衬垫温度场模型， 综合考虑摩擦提升滑动特殊工况和复杂边界条件， 得到了瞬态理论模型，并发现积分变换法更适合求 解衬垫瞬态温度场模型． 2 滚筒静止时，衬垫温度随相对滑速的增加 而急剧升高，随口，增大而增大；滚筒转动时，衬垫 温度在受热和散热循环中上升，总体温度较滚筒静 止时低，较小口。处温升滞后于较大∞处．摩擦热量 集中在热影响表面层，其厚度仅为4m m ，接触表面 温度梯度较大，沿径向迅速减小；温度梯度和热影 响表面层厚度随相对滑速的增大而增大．衬垫温度 随r 的增大而迅速降低且随臼增大而逐渐减小． 3 滚筒静止和转动时，衬垫材料达到热分解 温度失效时的相对滑速分别为7 ．3 6m ／s 和8 ．6 m ／s ，滑动距离分别为5 1 ．3 5m 和9 1 ．4 3m ；从而 为摩擦提升机防滑设计提供理论依据． 456789 “ m s 。1 c ，处 参考文献 [ 1 ]M A J C H E R C Z A KD ，D U F R E N O YP ，B E R T H I E R Y ．T r i b o l o g i c a l ，t h e r m a la n dm e c h a n i c a lc o u p l i n ga s p e c t so ft h ed r ys l i d i n gc o n t a c t [ J ] ．T r i b o l o g yI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 7 ，4 0 5 8 3 4 8 4 3 ． [ 2 ]Q IHs ，D A YAJ ．I n v e s t i g a t i o no fd i s c ／p a di n t e r f a c et e m p e r a t u r e si nf r i c t i o n b r a k i n g [ J ] ． w e a r ， 2 0 0 7 ，2 6 2 5 ／6 5 0 5 5 1 3 ． [ 3 ]L IC h a n g ，z H O N Gz h a n g ，L I NY e ，e ta l - T r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n tp o l y m e r c o m p o s i t e sw i t hf i n ep a r t i c l e s [ J ] ．T r i b o l o g yI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 7 。4 0 7 1 1 7 0 一1 1 7 8 ． [ 4 ]Y A N GF u ．s h e n g ，Q uJ i a 矿l i n ，Y A N GZ h i y u a n ，e t a 1 ．T h e r m a ld e c o m p o s i t i o nb e h a v i o ra n dk i n e t i c s o f c o m p o s i t e sf r o mc o a la n dp o l y e t h y l e n e [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，1 7 1 2 5 2 9 ． [ 5 ] M A T Y s I A KsJ ，Y E V T u s H E N K 0AA ．I V A N Y KEG ．C o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dw e a ro fc o m p o s i t e f r i c t i o ne l e m e n t sd u r i n gb r a k i n g [ J ] ．I n t e m a t i o n a l 万方数据 第4 期彭玉兴摩擦提升滑动时衬垫瞬态温度场数值模拟5 3 1 J o u m a lo fH e a ta n dM a s sT r a n s f e r ，2 0 0 2 ，4 5 1 1 9 3 1 9 9 ． [ 6 ]S A B E R S H E l K HK ，C L A R K ERL ，B R A D E NM ． V i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fs o m eS 0 f tl i n i n gm a t e r i a l s l e f { e c to “哪p e r a t u r e [ 】] ．B i o m a t e r i a l s ，1 9 9 9 ，2 0 9 8 1 7 8 2 2 ． [ 7 ] 刘道平，梅苏华．摩擦提升机衬垫摩擦温度的近似 计算[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 7 ，2 6 1 7 0 一7 2 ． L I UD a 0 - p i n g ，M E IS u h u a ．A p p r o 】【i m a t em e t h o do f c a l c u l a t i n gf r i c t i o nt e m p e r a t u r ei nf r i c t i o nw i n d e rl i n i n g [ J ] ． J o u r n a lo fc h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，2 6 1 7 0 7 2 ． [ 8 ] 夏荣海，葛世荣．摩擦提升机衬垫摩擦温升的计算 [ J ] ．煤炭学报，1 9 9 0 ，1 5 2 1 9 ． X I AR o n g _ h a i ，G ES h i - r o n g ．C a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r e “s eo fl i n i n go ff r i c t i o nw i n d e r [ J ] ．J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ，1 9 9 0 ，1 5 2 1 9 ． [ 9 ] 王营，曹献坤，姚安佑，等．盘式制动器摩擦片的 温度场研究[ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 1 ，2 3 7 2 2 2 4 ． W A N GY i n g ，C A 0X i a n - k u n ，Y A 0A n - y o u ，e ta I ． S t u d yo nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fd i s cb r a k ef r i c t i o n f l a k e [ J ] ．J o u r n a lo fw u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，2 3 7 2 2 - 2 4 ． [ 1 0 ]H E L M U Tw ．H e a tT r a n f e r [ M ] ．N e wY o r k H a r D e r R o wP u b l i s h e r sI n c ，19 8 3 ． [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] N A J IM ，A L - N l M RM ．D y n a m i ct h e 咖a lb e h a v i o r o fab r a k es y s t e m [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lC o m m u n i c a t i o n s i nH e a ta n dM a s sT r a n s f e r ，2 0 0 1 ，2 8 6 8 3 5 8 4 5 ． 刘涛，王益群．基于扫描法的轧辊瞬态温度场准 三维建模与仿真[ J ] ．中国机械工程，2 0 0 7 ，1 8 4 4 8 4 4 8 6 ． L I UT a o ，W A N GY i q u n ． Q u a s i t h r e e _ d i m e n s i o n a l m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fw o r k i n gr o Ut e m p e r a t u r e f i e l db a s e do ns c a n n i n gm e t h o d [ J ] ．c h i n aM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，1 8 4 4 8 4 4 8 6 ． V O L D R l C HJ ．F r i c t i o n a l l ye x c i t e dt h e r m o e l a s t i ci n s t a b i I i t yi nd i s cb r a k e s T r a n s i e n tp r o b I e mi nt h e f u Uc o n t a c tr e g i m e [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lS c i e n c e s ，2 0 0 7 ，4 9 2 1 2 9 1 3 7 ． C H O IJH ，L E EI ．F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft r a n - s i e n tt h e m o e l a s t i cb e h a v i o r si nd i s kb r a k e s [ J ] ． W e a r ，2 0 0 4 ，2 5 7 1 ／2 4 7 5 8 ． A F F E R R A N T EL 。C 1 A V A R E L L AM ，D E C U Z Z I P ，e ta 1 ．T r a n s i e n ta n a l y s i so ff r i c t i o n a l l ye x c i t e d t h e r m o e l a s t i ci n s t a b i l i t vi nm u l t i d i s kc l u t c h e sa n d b r a k e s [ J ] ．W e a r ，2 0 0 3 ，2 5 4 1 ／2 1 3 6 1 4 6 ． Y E V T U S H E N K 0A 。I V A N Y KE ．D e t e r m i n a t i o n o ft e m p e r a t u r e sf b rs 】i d i n gc o n t a c tw i t ha p p 】i c a t i o n s f o rb r a k i n gs y s t e m s [ J ] ．w e a r ，1 9 9 7 ，2 0 6 1 ／2 5 3 5 5 ． 责任编辑姚志昌 万方数据