强制空气对流换热条件下的带式输送机盘式制动器传热分析

发布时间：2019-09-04 19:01

【摘要】：为提升自冷式盘式制动器的散热能力,增设强制通风结构,在强空气对流换热条件下研究该制动盘的传热特性。分别采用解析法和有限元数值模拟方法求解出制动盘的一维稳态过余温度场和三维瞬态温度场,并基于台架试验方法校验瞬态温度场的计算精度。结果表明:试验结果与仿真结果具有良好的匹配性;对流换热系数对于盘体温度场的影响是非线性的,随着强制对流换热系数的增大,传热方向上的温度梯度将显著增大,散热效率更高。通过强制通风来增大对流换热系数对于大运载能力的带式输送机制动器而言,具有良好的可靠性和经济性。
【图文】：

示意图,半模型,制动盘,一维

式中，Ｒex为局部雷诺数，Pr为空气普朗特数。带式输送机的制动盘为圆形对称结构，其沿径向变化的局部对流换热系数为h(r)=0.345λrＲe1/2r·Pr1/3Ｒer＜2.4×1050.0312λrＲe0.8rPr0.6Ｒer＞2.4×10{5(12)2一维稳态传热问题的解析解2.1传热数学模型自冷盘式制动器的摩擦片为对称结构，使得盘体表面的热流载荷为对称分布，因此，可将制动盘的传热分析简化为稳态一维(轴向)的半模型求解，，其模型如图1所示。在该传热模型中，可将沿程散热量Φs(对流换热和热辐射作用)作为负内热源加入方程，其表达式为:Φ·=－ΦsAcdx=h+α()rPT－T()∞Ac(13)式中，P和Ac分别为换热截面的周长和面积，m，m2;T∞为空气温度，K。模型的传热微分方程可转换为:d2Tdx2－h+α()rPλAc(T－T∞)=0(14)由制动盘的材料属性可知，其导热系数与温度之间有着显著的线性递增关系。为了更符合真实边界条件，可将温度属性考虑在传热方程中。设Tm=T－T∞λ，通过线性回归拟合，可得出Tm与温度T之间的近似关系为:Tm=0.0219T－0.3832(15)令g=h+α()rPAi醕，则导热微分方程(13)可转化为:d2Tdx2－g(0.0219T－0.3832)=0(16)图1制动盘一维半模型导热示意图2.2不同换热系数下的结果给定方程(16)边界条件后，即可以求出轴向方向的传热特性。为了研究不同强制通风条件下的对流换热效果，文中基于MATLAB，分别在对流换热系数为ha=10W/(m2·K)、hb=60W/(m2·K)和hc=160W/(m2·K)条件下求解轴向方向上的过余温度［6］分布，计算中综合采用第一类和第二类边界条件，?

过余温度,瞬态传热,三维有限元,对流换热系数

方程(13)可转化为:d2Tdx2－g(0.0219T－0.3832)=0(16)图1制动盘一维半模型导热示意图2.2不同换热系数下的结果给定方程(16)边界条件后，即可以求出轴向方向的传热特性。为了研究不同强制通风条件下的对流换热效果，文中基于MATLAB，分别在对流换热系数为ha=10W/(m2·K)、hb=60W/(m2·K)和hc=160W/(m2·K)条件下求解轴向方向上的过余温度［6］分布，计算中综合采用第一类和第二类边界条件，即一侧为恒温150℃，另一侧为绝热条件。通过计算，最终得出不同换热系数下轴向的过余温度曲线如图2所示。图2中可以看出:制动盘的过余温度在轴向方向上的变化具有显著的抛物形状;换热系数对于整个传热过程的影响为非线性的，随着换热系数的增大，传热方向上的温度梯度将增大，因此可实现更高的散热效率。图2不同对流换热系数下的轴向过余温度3三维有限元瞬态传热分析3.1有限元模型的确立直接采用解析法求解制动盘的三维瞬态传热微分方程在数学上存在较大困难，但通过有限元数值模拟方法可方便地计算出整个盘体的温度常本文采用ANSYS/Workbench来实现强制空气对流换热条件下的矿用自冷盘式制动器的传热分析。文中所研究的核心问题为强制对流条件下的制动盘传热，因此，为了提升计算效率，模型忽略热应力耦合效应［7］，采用TransitThermal模块实现制动盘的三维瞬态传热分析，在该模块中，设置传热分析的总时间为120s，迭代时间步长为0.1s。在瞬态传热模型的预处理阶段，需要完成的关键工作有:1)划分热载荷面。在DesignModeler中，采用曲面slice方式划分出两端面的环形热载荷面。2)网格划分。采用较大数值的相关度以及局部优化的方式对整个模型进行四面体网格划分，最终得出模型的单元数量为128553，
【作者单位】：青岛黄海学院;
【分类号】：TD528.1

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