液体粘性软起动装置摩擦片传热机理研究

1、液体粘性软起动装置摩擦片传热机理研究1清华大学工业工程系2山东科技大学周满山1,2张媛2于岩2摘要:针对带式输送机液体粘性软起动装置摩擦片的结构特性, 将粘性流体力学和摩擦学原理有机结合, 分析起动过程中摩擦片与油膜间的导热过程, 推导出摩擦功耗计算公式及冷却油对流换热微分方程, 以保证液体粘性软起动装置中摩擦片不至于温度过高而损坏, 设计出满足使用要求的液体粘性软起动装置。关键词:带式输送机; 软起动; 摩擦片; 传热Abstract :Based on mechanical characteristics of hydro -viscous s oft -start device used

2、 in or , this paper dis 2cusses heat transmission process between oil -film and friction disc , cooling oil differ 2ential equations. The designed s oft -start device can operate and sure t be broken due to overheating.K eyw ords :belt convey or ; -; 、长距离、平稳起动, 使带式输送机从零速逐渐加速至正常工作速度, 降低输送机动载荷, 保证其平稳安

3、全运行, 延长各组成部分的使用寿命。1液粘可控软起动装置的转矩方程液体粘性可控软起动装置在起动过程中通过调节摩擦片间的油膜间隙改变转矩大小, 根据文献1其起动过程中的起动转矩为M =2(c +h R 22+R 2+2hR 22+R 2(1 式中n 摩擦片组数液体的动力粘度摩擦片接触系数, 纸基摩擦片为015017A 摩擦片的面积, A =R 22-R 2 主从动摩擦片角速度差,=2-1c 油槽深度, 一般为018mm 以内h 2摩擦对偶面表面粗糙度综合值R 2、R 1主、从动摩擦片的接触内半径和接触外半径式(1 描述的是液体粘性软起动装置的转矩方程, 无法表征摩擦片表面和油膜的温度状态, 要详

4、细了解摩擦片和油膜的各点温度状态, 必须从微元体的分析方法着手, 深入地分析起动过程中摩擦片与油膜间的导热过程。为了保证离合器摩擦片不至温度过高而烧损, 我们假定摩擦片在额定起动转矩下按最大的滑差长时间打滑运转, 且摩擦片的温度趋于稳定状态, 其接触比压值都相等。在这种情况下, 由于油膜径向尺寸不同, 在不同半径处油膜的滑差发热量也是不同的。从而使摩擦片与油膜的温度沿半径方向形成不同的温度分布。2摩擦功耗计算为便于分析, 我们沿半径方向建立如图1所示的微元环, 根据式(1 , 在r 上位置处微元环产生的摩擦转矩为M =2(c +h +2h(r +d r 2+r 2(2 当d r 1时, 则单位

5、宽微元环上的摩擦功耗可以表示为p (r =M (r 1( 2c +h +22h(3式中1主动摩擦片的角速度31起重运输机械2006(3 由上式可知, 摩擦片间油膜的摩擦功耗与半径的平方成正比, 即半径越大, 产生的摩擦热越多。 图1摩擦片微元体图3摩擦片间的温度分析由于主动摩擦片与从动摩擦片间产生高速滑差, 使油膜产生大量的摩擦热, 如果温度过高很容易使油质变坏, 严重时, 会使摩擦片烧损, 无法正常工作。, 度。液体粘性软起动装置的起动工况非常复杂, 有空载起动、重载起动、不确定载荷下起动。不论那一种起动工况, 只要满足最困难条件下的起动工况, 摩擦片将满足其他一切工况条件, 而且这种困难条

6、件下的温度分布也是最危险的, 所以我们只要分析在额定起动载荷下, 摩擦片长时间全速打滑这个起动过程即可。在这个最困难起动过程中, 起动前主被动摩擦片同样是处于环境温度状态下, 在主动摩擦片刚开始旋转初期摩擦片间的温度场将处于不稳态导热过程。当长时间处于额定起动转矩下打滑时, 摩擦片间的温度场将处于稳态状态, 此时, 产生的所有摩擦热将通过冷却油全部带走。如果在这种状态下立即重新起动, 摩擦片间的温度将来不及重新分布, 可以认为温度场的分布与刚才的稳定状态相同。如果休止较长时间重新起动, 则和起动初期的过程相同, 如果休止时间较短, 摩擦片间的温度不至于降到环境温度, 将是起动初期的不稳态过程中

7、的一部分。所以只要将起动初期的不稳态导热过程分析清楚, 其他都将满足要求。对于主、从动摩擦片间的传热过程作以下假定:认为光片摩擦片是各向同性的连续介质, 其导热系数1、比热c 1、密度1均为已知, 且认为在此温度状态下变化不大。而纸基摩擦片的纸基也是各向同性的连续介质, 其导热系数2、比热c 2、密度2均为已知, 且认为在此温度状态下变化不大。根据图1建立柱坐标, 对于光片摩擦片有以下的导热微分方程39=a 29r2+r 9r +r 2292+29z 2+c (4式中a 导温系数, a =c对于纸基摩擦片则有以下的导热微分方程9=a 129r 2+r 9r +r 2292+29z 2+c (5

8、可以认为在起动初期, 工程使用实践也, 即光片摩擦片在设计和使用不。这样也有利于简化分析模型, 同时满足工程应用的需要。考虑摩擦片接触区是轴对称的, 摩擦片两侧的摩擦传导对称, 而且旋转轴没有内热源, 所以有9=0, q v =0, 则有29r 2+r 9r +29z 2=9(6 摩擦片两侧都是油, 则其旋转面两侧表面的边界条件为=0, t =t 0z =0,9zz =0=0(对称性-9rz =2=a 1tz =2-t f 1r R 1, t =t 0z R 2, t =T 0根据摩擦片间的工作特点分析, 摩擦功耗产生的热一部分传导给摩擦片, 另一部分则由冷却油对流带走, 所以有-9r r =

9、R z =0=1002R f S +E (-R T +pR (l 1+l 2 -p 1Rl 2+(ph 21-p 1h 22 /l 2(7由于出现冷却油的对流换热过程, 则冷却油的换热过程必须满足液体运动的连续性方程、动量方程、能量方程, 对于不可压缩的牛顿流体, 在柱坐41起重运输机械2006(3 标系中可以如下表示3:连续方程为9r +r 9+9z +r =0(8动量方程为9+u r +r 9+u z 9z -2r=F r -9r +29r 2+r 9r +r 2292+29z 2-r 29-r 2(99+u r 9+r 9+u z 9z -r =F -r 9+29r 2+r 9r +r

10、2292+29z 2-r 2+r 29(109+u r r +r 9+u z 9z=F r -9z +29r 9+9z 2-r 29-r 2(11能量方程为c p 9+u r 9r +r 9+u z=292+r 9+r 2+9z2+29r +r 9-u r2+2r 9+92+29z +9+k 29r 2+r 9r +r 2292+29z 2+q (12考虑到冷却油是轴对称的, 则有F i =0, 9=0,u z =0, 9=0, 上述方程可简化为9r +r=0(13 u r 9r -u 2r =-9r +v 29r 2+9r r +29z 2u r 9r +r =v 29r 2+9r r +2

11、9z 29z=0(14c p9+u r 9=292+r 2+29r -r2+29+k 29r 2+r 9+q(15 。4结论以上理论分析说明, 为保证液体粘性软起动装置中摩擦片不至于温度过高而损坏, 必须深入研究摩擦片导热机理, 计算出摩擦功耗, 以便确定冷却润滑油流量, 参考文献1. D :学位论文.北京:北京理工大学, 20032温诗铸. 摩擦学原理M.清华大学出版社, 19903赵学端等. 粘性流体力学M.机械工业出版社, 19934Besl M ichael L. T ransmitting T orque with an Oil -Shear Breakand Clutch. Mec

12、hanical Engineering , 1993, 115(11 :74775K ohei , Saeki , Shin. S tudy on the change of friction characteris 2tics with use in the wet clutch of automatic transmission Matsuo. S AE S pecial Publications , 19976Edward J , Sadeghi , Farshid , K rousgrill , Charles M. T orquetransmission characteristics of automatic transmission wet clutch 2es. T ribologists &LubricationEngine