摩擦襯墊動態(tài)熱物性能及其對瞬態(tài)溫度場的影響
摩擦襯墊動態(tài)熱物性能及其對瞬態(tài)溫度場的影響
摩擦提升機依靠鋼絲繩與襯墊間的摩擦力提升重物，當因超載等工況發(fā)生滑動時，由于摩擦引起的襯墊溫升將嚴重威脅礦井提升安全。為了保障礦井提升安全可靠運行，劉道平等!-3基于靜態(tài)熱物性能對摩擦襯墊溫度場進行了研究。由于摩擦村墊屬于聚合物材料，其比熱容、熱擴散系數(shù)、導熱系數(shù)等熱物性能參數(shù)都是隨溫度變化的[4-],基于靜態(tài)熱物性能參數(shù)所得到的溫度場與客觀情況存在明顯誤差，因此，掌握襯墊動態(tài)熱物性能是研究其摩擦溫升的重要條件。目前，許多研究者只是對動態(tài)熱物性能[9-12)或溫度場(基于靜態(tài)熱物性能)[13-15]進行了研究，而未將動態(tài)熱物性能引入材料溫度場進行計算。為此，本文作者針對2種廣泛應用的摩擦襯墊，開展動態(tài)熱物性能實驗研究，通過積分變化法求得其瞬態(tài)溫度場，并獲得基于動態(tài)熱物性能參數(shù)的摩擦襯墊瞬態(tài)溫度場，以使為摩擦提升防滑設計提供理論依據(jù)，同時，為其他工程領域溫度場精確計算提供借鑒。
1.熱分析實驗
1.1
礦井摩擦提升機廣泛使用這2種摩擦村墊材料。采用閃光導熱儀 LFA 447同步測襯墊的熱擴散系數(shù)a比熱容C等熱物性能參數(shù)[1若已知墊密度p，則可得襯墊的導熱系數(shù)為:
實驗測溫范圍為30-240C,每隔10C測量1次氣氛為氮氣，循環(huán)水冷卻。測試時，將樣品制成直徑為12.5~12.7mm厚度為 15~2.0 mm 的圓形薄片，保證試件上下表面光滑、平整。為了保證實驗結果的準確性，在每個測量溫度點測量3 次，取平均值作為實驗結果，用于分析。
1.2實分
圖1所示為村墊? 的比熱容 C熱擴散系數(shù)a、導熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。圖 1(a)表明，襯墊比熱容隨溫度的開高而增大。從圖 1(b)可以看出，襯墊熱散系數(shù)隨溫度的升高而早非線性降低，且其在測試溫度范圍內(nèi)變化更劇烈。由圖 1(c)可知，襯墊導熱系數(shù)在 90℃以內(nèi)緩慢上升，此后，導熱系數(shù)基本不隨溫度變化:導熱系數(shù)在90-240℃時穩(wěn)定在0.451 W·mˉ1Kˉ1而僅為0.300Wmˉ1-Kˉ1。
根據(jù)圖1中比熱容和熱擴散系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，分別對其進行多項式擬合和指數(shù)方程擬合。對于GM-3，其擬合方程如下：
式中，2為相關系數(shù)的平方，其值都接近 1，說明擬合曲線能較好地反映實驗結果。結合式(1)，可得襯墊導熱系數(shù)隨溫度變化的擬合方程。
2、瞬態(tài)溫度場理論模型
礦井摩擦提升示意圖如圖2 所示。當摩擦提升機由于超載等發(fā)生打滑時，鋼絲繩與襯墊將之間將發(fā)生滑動摩擦而使襯墊溫度升高，兩者的接觸模型如圖3所示。
為分析滑動時摩擦襯墊瞬態(tài)溫度場，采用坐標(r.0o)對其進行幾何描述。其中為墊上的點到槽中心的距離，0為心角， 為圍包。對于圖23中所示的幾何結構和參數(shù)，取 a≤rsb;000(6-/2):0pSo(為最大圍包角)。根據(jù)熱傳導理論，其三維瞬態(tài)熱傳導微分方程為:
式中:Ve(t)為相對滑;T?為鋼絲繩輕載側張力n；為鋼絲繩數(shù)量:Pw′，Cpw和λw分別表示鋼絲繩密度比熱容和導熱系數(shù);Ve(t)=a?t，a?為鋼絲繩在襯墊上的滑動加速度。
對于任意給定的φ 截面，采用積分變換法求解式
(3)，對空間變量r和θ進行積分變換，將熱傳導程簡化為時間變量t的常微分方程后求解。將求得的溫度函數(shù)對空間變量進行逆變換，即得到襯墊φ 截面處的瞬態(tài)溫度場:
3、動態(tài)熱物性能對瞬態(tài)溫度場的影響
襯墊、鋼絲繩和滾簡尺寸參數(shù)為:a=0.014m，b-0.04m，R=1.4m：T?-223.569 kN，鋼絲繩數(shù)量n=6鋼絲繩與襯墊間的摩擦因數(shù)μ=0.2;a?=0.527 m/s2;To=20℃;GM-3和K25 的熱分解溫度為320℃和345℃。襯墊與鋼絲繩在常溫狀態(tài)下的靜態(tài)熱物性能參數(shù)如表1所示。
為了準確獲得鋼絲繩在打滑過程中的摩擦襯墊溫度場，分別將2種材料的動態(tài)和靜態(tài)熱物性能參數(shù)代入瞬態(tài)溫度場模型，并進行數(shù)值模擬，圖4和圖5所示為部分仿真結果。
由圖4可知，當考慮襯墊動態(tài)熱物性能參數(shù)時，襯墊溫升緩慢，分別由靜態(tài)和動態(tài)熱物性能參數(shù)求得的溫度差隨相對滑速的增大而增大，襯墊達到熱分解溫度時的臨界速度較高， 臨界速度由7.35 m/s增加到8.42 m/s。導熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)和比熱容較小，導熱性能較差，由式(5)可知，其熱量分配系數(shù)也較小。
為了研究襯墊動態(tài)熱物性能對溫升的影響，分析了襯墊 徑向溫度隨圓心角和相對滑速的變化規(guī)律，如圖5所示。從圖5可以看出:村墊溫度沿徑向迅速減小，且隨0的增大而減小。當考慮動態(tài)熱物性能參數(shù)時，計算得到的襯墊溫升比考慮靜態(tài)參數(shù)時所得的襯墊溫升低:兩者的差值隨相對滑速的增大和0的減小而增大，且沿徑向逐漸降低。這是因為當φ較小或滑速較高時，溫度很高且變化劇烈，并且的導熱性能隨溫度升高而增強，故動態(tài)熱物性能對其影響較大:而村墊溫度沿徑向迅速降低且變化趨于平緩故動態(tài)熱物性能參數(shù)對其影響變小。
4、結論
A，當考慮襯墊動態(tài)熱物性能參數(shù)時，襯墊溫升緩慢，襯墊達到熱分解溫度時的臨界速度較高;由靜態(tài)和動態(tài)熱物性能參數(shù)計算得到的溫度差隨相對滑速的增大和0的減小而增大，且沿徑向逐漸降低。
B.在高速滑動引起的溫度劇烈變化的情況下，采用靜態(tài)熱物性能參數(shù)不能反映襯墊溫升時熱物性能的變化，由此得到的溫升誤差較大:結合襯墊動態(tài)熱物性能參數(shù)計算得到的襯墊瞬態(tài)溫度場，能更精確地反映摩擦提升滑動過程中襯墊溫度變化規(guī)律，為摩擦提升防滑設計提供了理論依據(jù)。
END
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