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摩擦衬垫动态热物性能及其对瞬态温度场的影响

作者:威廉官网 发布时间:2021-01-04 03:49 点击数:

  为了获得GM-3和K25这2种广泛应用摩擦衬垫的动态热物性能及其因与钢丝绳滑动摩擦而形成的温度场,采用闪光导热仪对其进行热分析实验。研究结果表明:K25热物性能参数比GM-3的低;随着温度升高,衬垫比热容迅速增大,热扩散系数呈指数规律降低,导热系数先缓慢上升后稳定不变。针对摩擦提升超载滑动过程,基于热传导理论,采用积分变换法求解,得到衬垫瞬态温度场模型;当考虑动态热物性能参数时,衬垫温升缓慢且达到热分解温度时临界速度较高;用静态热物性能参数计算温度所存在的误差随相对滑速的增大而增大,随圆心角的增大而减小,且沿径向逐渐降低,因此,由于温度的变化,采用静态热物性能参数求得的摩擦温度是不可靠的,只有基于动态热物性能参数所获得的衬垫瞬态温度场才是客观、有效的。

  基金信息:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目江苏省2008年度普通高校研究生科研创新计划资助项目

  摘 要:为了获得GM-3和K25这2种广泛应用摩擦衬垫的动态热物性能及其因与钢丝绳滑动摩擦而形成的温度场,采用闪光导热仪对其进行热分析实验。研究结果表明:K25热物性能参数比GM-3的低;随着温度升高,衬垫比热容迅速增大,热扩散系数呈指数规律降低,导热系数先缓慢上升后稳定不变。针对摩擦提升超载滑动过程,基于热传导理论,采用积分变换法求解,得到衬垫瞬态温度场模型;当考虑动态热物性能参数时,衬垫温升缓慢且达到热分解温度时临界速度较高;用静态热物性能参数计算温度所存在的误差随相对滑速的增大而增大,随圆心角的增大而减小,且沿径向逐渐降低,因此,由于温度的变化,采用静态热物性能参数求得的摩擦温度是不可靠的,只有基于动态热物性能参数所获得的衬垫瞬态温度场才是客观、有效的。

  摩擦提升机依靠钢丝绳与衬垫间的摩擦力提升重物,当因超载等工况发生滑动时,由于摩擦引起的衬垫温升将严重威胁矿井提升安全。为了保障矿井提升安全可靠运行,刘道平等[1-3]基于静态热物性能对摩擦衬垫温度场进行了研究。由于摩擦衬垫属于聚合物材料,其比热容、热扩散系数、导热系数等热物性能参数都是随温度变化的[4-8],基于静态热物性能参数所得到的温度场与客观情况存在明显误差,因此,掌握衬垫动态热物性能是研究其摩擦温升的重要条件。目前,许多研究者只是对动态热物性能[9-12]或温度场(基于静态热物性能)[13-15]进行了研究,而未将动态热物性能引入材料温度场进行计算。为此,本文作者针对2种广泛应用的摩擦衬垫,开展动态热物性能实验研究,通过积分变化法求得其瞬态温度场,并获得基于动态热物性能参数的摩擦衬垫瞬态温度场,以便为摩擦提升防滑设计提供理论依据,同时,为其他工程领域温度场精确计算提供借鉴。

  选用的衬垫材料为GM-3(中信重机公司工程塑料厂生产)和K25(洛阳百克特摩擦材料有限公司生产),其密度分别为1.36 t/m,目前,矿井摩擦提升机广泛使用这2种摩擦衬垫材料。采用闪光导热仪LFA 447同步测量衬垫的热扩散系数

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  实验测温范围为30~240 ℃,每隔10 ℃测量1次,气氛为氮气,循环水冷却。测试时,将样品制成直径为12.5~12.7 mm、厚度为1.5~2.0 mm的圆形薄片,保证试件上下表面光滑、平整。为了保证实验结果的准确性,在每个测量温度点测量3次,取平均值作为实验结果,用于分析。

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  650){this.height=this.height*650/this.width;this.width=650;} width=15、导热系数λ随温度的变化规律。图1(a)表明,衬垫比热容随温度的升高而增大,且GM-3的比热容比K25的高。从图1(b)可以看出,衬垫热扩散系数随温度的升高而呈非线的高,且其在测试温度范围内变化更剧烈。由图1(c)可知,衬垫导热系数在90 ℃以内缓慢上升,此后,导热系数基本不随温度变化:GM-3导热系数在90~240 ℃时稳定在0.45l W·m

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  根据图1中比热容和热扩散系数随温度的变化规律,分别对其进行多项式拟合和指数方程拟合。

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  式中,r2为相关系数的平方,其值都接近1,说明拟合曲线能较好地反映实验结果。结合式(1),可得衬垫导热系数随温度变化的拟合方程。

  矿井摩擦提升示意图如图2所示。当摩擦提升机由于超载等发生打滑时,钢丝绳与衬垫将之间将发生滑动摩擦而使衬垫温度升高,两者的接触模型如图3所示。

  为分析滑动时摩擦衬垫瞬态温度场,采用坐标(r, θ, φ)对其进行几何描述。其中r为衬垫上的点到绳槽中心的距离,θ为圆心角,φ为围包角。对于图2和3中所示的几何结构和参数,取a≤r≤b;0≤θ≤θ0(θ0=π/2);0≤φ≤φ0(φ0为最大围包角)。根据热传导理论,其三维瞬态热传导微分方程为:

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  当钢丝绳与衬垫发生相对滑动时,衬垫摩擦表面热流密度q及其热量分配系数k分别为:

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  式中:ve(t)为相对滑速;T1为钢丝绳轻载侧张力;n为钢丝绳数量;ρw,Cpw和λw分别表示钢丝绳密度、比热容和导热系数;ve(t)=a1t,a1为钢丝绳在衬垫上的滑动加速度。

  对于任意给定的φ截面,采用积分变换法求解式(3),对空间变量r和θ进行积分变换,将原热传导方程简化为时间变量t的常微分方程后求解。将求得的温度函数对空间变量进行逆变换,即得到衬垫φ截面处的瞬态温度场:

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  由图4可知,当考虑衬垫动态热物性能参数时,衬垫温升缓慢,分别由静态和动态热物性能参数求得的温度差随相对滑速的增大而增大,衬垫达到热分解温度时的临界速度较高,GM-3临界速度由7.35 m/s增加到8.42 m/s。虽然K25的导热系数、热扩散系数和比热容较小,导热性能较差,由式(5)可知,其热量分配系数也较小,故K25的温度变化趋势与GM-3的基本一致。

  的增大而减小。当考虑动态热物性能参数时,计算得到的衬垫温升比考虑静态参数时所得的衬垫温升低;两者的差值随相对滑速的增大和

  650){this.height=this.height*650/this.width;this.width=650;} width=13>

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  650){this.height=this.height*650/this.width;this.width=650;} width=13较小或滑速较高时,温度很高且变化剧烈,并且K25的导热性能随温度升高而增强,故动态热物性能对其影响较大;而衬垫温度沿径向迅速降低且变化趋于平缓,故动态热物性能参数对其影响变小。


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