機(jī)械設(shè)計(jì)外文翻譯-礦井提升機(jī)和數(shù)值的摩擦熱分析模擬墊片的溫度場(chǎng)【中文4130字】【PDF+中文WORD】
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【中文4130字】
礦井提升機(jī)和數(shù)值的摩擦熱分析模擬墊片的溫度場(chǎng)
機(jī)電工程，礦業(yè)，江蘇徐州221008，中國(guó)的中國(guó)大學(xué)學(xué)院
摘要:密封墊圈的摩擦性能影響礦井提升機(jī)，摩擦熱基于摩擦機(jī)制和傳熱理論，礦山的數(shù)學(xué)模型對(duì)聚氯乙烯墊片的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，根據(jù)基本假設(shè)，利用ANSYS數(shù)值模擬給出溫度和熱通量的分布，該結(jié)果表明，溫度逐漸減小，模型半徑增加而等溫線(xiàn)是同心半圓的圓弧，熱通量是雙側(cè)對(duì)稱(chēng)的模型并且徑向減小。當(dāng)鋼絲繩滑動(dòng)時(shí)，該理論值與很短的時(shí)間測(cè)量值相對(duì)應(yīng)（t<=100次）。
關(guān)鍵詞: 礦井提升機(jī)；摩擦熱；墊片；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)
1 引言
礦用提升機(jī)的墊片主要由PVC塑料和PU制成，其有聚合物性能。熱導(dǎo)率PVC塑料和PU相對(duì)較小，該材料溫度因而上升，由于摩擦熱而引起的滑動(dòng)，將導(dǎo)致相位狀態(tài)的改變與結(jié)構(gòu)的變化。以前實(shí)驗(yàn)證明，影響摩擦熱的最重要因素之一是墊圈。在很大程度上是由指示的摩擦系數(shù)，從而降低與一個(gè)在折合在聚合物密封墊圈的溫度[1]。聚合物對(duì)熱敏感，這可以改變摩擦表面狀況，加劇磨損，結(jié)果脫礦或脫落表面層[2]。因此，在研究摩擦?xí)r應(yīng)考慮鋼絲繩之間的機(jī)制墊片的摩擦熱，主要步驟是在墊片摩擦?xí)r了解溫度場(chǎng)的變化，以便獲得影響摩擦的各種因素。
2 滑動(dòng)摩擦熱的機(jī)構(gòu)
2.1 滑動(dòng)模式
一般情況下，礦井提升機(jī)在操作時(shí)，絕對(duì)和相對(duì)滑動(dòng)因?yàn)槟承┰蚨嬖谧饔肹3]。絕對(duì)（純滑動(dòng)）采用下進(jìn)行兩種情況：第一種是，該鋼絲繩在摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就在該點(diǎn)如不能解除重量，同時(shí)提升；另一種是，該鋼絲繩上滑動(dòng)的摩擦墊圈，類(lèi)似于在緊急制動(dòng)電的情況。相對(duì)滑動(dòng)是在摩擦副工作時(shí)引起的差值，絕對(duì)速度通常也發(fā)生兩種情況：在第一個(gè)是該鋼絲繩的速度比該摩擦輪的大，這相當(dāng)于為滑動(dòng)卸載它的重量和減慢，另一條件是速度小于鋼絲繩，這相當(dāng)于滑動(dòng)時(shí)升降在過(guò)載運(yùn)行。
2.2 鋼絲繩和墊片摩擦熱產(chǎn)生機(jī)理
摩擦熱摩擦過(guò)程中的主要作用為滑動(dòng)，熱量從摩擦工作產(chǎn)生，這直接關(guān)系到了摩擦力和滑動(dòng)速度。歐拉公式是摩擦提升機(jī)的主要驅(qū)動(dòng)原理[4]。
1.它可寫(xiě)為：
（1）
鋼絲繩的拉伸力的限制比例在摩擦輪的兩側(cè)，如圖所示：
圖1 鋼絲繩兩側(cè)拉力
(1) 其中e是自然對(duì)數(shù)2.71828，α0封閉鋼絲繩相對(duì)于所述摩擦輪的角度來(lái)看，μ鋼絲繩和墊圈和T1和T2之間的摩擦系數(shù)是在重量的拉伸力。拉伸力和正常壓力之間的關(guān)系是
Ni = Tdθ （2）
(2) 其中Ni是正常的氣壓，T為拉伸力和dθ對(duì)應(yīng)的接觸弧度為單位的微角。在滑動(dòng)時(shí)，總摩擦力（T1- T2），并且如果滑動(dòng)速度υ，總摩擦實(shí)際功（Wf）是許多小曲線(xiàn)的總和摩擦功（Wi）[5]：
（3）
(3) 滑動(dòng)中墊圈的接觸面始終加熱，一般情況下，如果兩個(gè)對(duì)象紋理和幾何形狀彼此相似，摩擦熱通常是良好的顯示分布式[6]，否則，更多的熱量會(huì)傳導(dǎo)至對(duì)象具有良好的導(dǎo)電性。在滑動(dòng)鋼絲繩和墊圈，鋼絲之間繩子將獲得更多的熱量，但只有墊片的5％的摩擦熱主要是產(chǎn)生于分離表面，該表面容易磨損，因此它不利地影響襯墊。為了充分理解摩擦熱效應(yīng)，摩擦產(chǎn)生熱應(yīng)該考慮對(duì)整個(gè)接觸面積。
鋼絲繩和之間的導(dǎo)通的墊片是不穩(wěn)定的，摩擦熱的條件，滑動(dòng)過(guò)程中的鋼絲繩示于圖2(1)，這是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)樵摪肴κ羌訜?，而其它部分釋放熱量。在接觸的橫截面的傳熱條件，鋼絲繩與襯墊之間的區(qū)域顯示圖2(2)，這表明了熱q是良好的顯示分布式上的聯(lián)系方式與圓弧半徑為r0，外加面對(duì)熱源會(huì)在接觸區(qū)域中創(chuàng)建在整個(gè)摩擦輪的滑動(dòng)，以熱鋼絲繩和墊圈加熱表面的接觸面積。根據(jù)摩擦角變化，熱源強(qiáng)度增加在滑動(dòng)方向上，如圖2（3）和所述熱在入口Q''始終是較大的比熱在出口Q'[1-2]。在研究中，墊圈通常被采用為目標(biāo)，作為一個(gè)結(jié)果的復(fù)雜性和該結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性鋼絲繩，它是更方便的考慮墊片為連續(xù)均質(zhì)材料[7]。
(1) 墊片 (2) 摩擦熱條件
圖2 鋼絲繩和襯墊滑動(dòng)時(shí)的摩擦熱條件
3 溫度分布模型
3.1 基本假設(shè)
考慮到熱是不可改變的，它只有在封閉時(shí)鋼絲繩和襯墊的某些接觸面積角度改變，作為滑動(dòng)條件是不變的，下面假設(shè)：
1)我們忽略了滑動(dòng)時(shí)墊片的磨損，鋼絲繩的接觸形式在一定的工作條件不變。該整個(gè)表面是一個(gè)大圓弧半徑R和當(dāng)?shù)亟佑|面積是半徑為r0的圓?。ㄤ摻z繩半徑）；
2)墊片各向同性聚合物具有恒定的熱傳導(dǎo)性，是一種均勻連續(xù)的熱擴(kuò)散率，比熱容和密度；
3)非接觸表面，其被暴露在空氣中，是隔熱的，也就是說(shuō)，它不會(huì)傳遞熱量到空氣；
4)在接觸弧的任何橫截面的熱是恒定的，均勻分布的小接觸圓弧半徑為r0；
5)熱傳遞的方向進(jìn)行半徑r和等溫線(xiàn)是同心的，半圓中心是鋼絲的軸線(xiàn)。
3.2 控制方程
基于以上假設(shè)，我們得到如圖所示，如圖物理模型。該模型具有三面與周?chē)h(huán)境接觸，鋼絲繩與墊圈的接觸面這是直接由摩擦加熱，其中所述熱量Q是均勻分布，墊圈接觸面和其周?chē)目諝?，在其上的熱量有上一層極薄的效果，因此溫度變化小，熱對(duì)流的空氣可以忽略不計(jì)；墊片接觸面和接觸區(qū)域的沉積，對(duì)于基于同樣的理由，熱可以忽略。該坐標(biāo)的三維模型的系統(tǒng)是與坐標(biāo)R，θ和φ確定。?是墊圈和一個(gè)繩芯橫截面的距離是特定之間的，θ為該角度從點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)平面和φ是墊圈和其水平位置之間的橫截面為逆時(shí)針角。
圖3 墊片的物理模型
摩擦熱的擴(kuò)散是不穩(wěn)定的，因而我們有數(shù)學(xué)傳熱模型[5]如下：
（4）
其中，λ是熱傳導(dǎo)率，T溫度，τ時(shí)間，R絞盤(pán)軸之間的距離鋼絲繩芯，這是常數(shù)，表示熱擴(kuò)散。該邊界條件和初始條件是:
（5）
方程（4）是一局部方程，由于傳熱在密封墊被認(rèn)為是一個(gè)整體。方程（4）是通過(guò)分析或數(shù)值非常復(fù)雜技術(shù)，并在實(shí)踐中加以簡(jiǎn)化。該摩擦熱表面層是很薄的，因此熱影響?。徊⑶疫M(jìn)一步地和之間的同一個(gè)差別系數(shù)較小時(shí)，是非常小的，和之間的影響是小的，只要它們之間存在一定的距離。因此，值被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)和熱傳導(dǎo)可以轉(zhuǎn)化為一種不穩(wěn)定的熱傳導(dǎo)，一維中空?qǐng)A柱體的內(nèi)壁具有同等熱。簡(jiǎn)化的物理模型被示為圖4，并在任何數(shù)學(xué)模型角被計(jì)算如下：
圖4 墊片的簡(jiǎn)化物理模型
(6)
其中在任何時(shí)間，t是在半徑r處的溫度，是單位長(zhǎng)度上電弧的接觸面的熱流量。
4 在溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬
4.1 有限元分析
墊片的傳熱分析通過(guò)有限元軟件分析，溫度模擬其特殊多場(chǎng)耦合功能。傳熱分析過(guò)程中使用分析如下：首先，劃分對(duì)象，以有限的單位（內(nèi)包括一些結(jié)點(diǎn)）[8] ；第二，根據(jù)給定的平衡解決散熱，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的方程邊界條件和初始條件根據(jù)能量守恒原理；第三，制定出溫度在每一個(gè)點(diǎn)和最后解決其他相關(guān)變量[9]。簡(jiǎn)化的模型是一個(gè)三維中與內(nèi)壁等于熱通量的非穩(wěn)定熱傳導(dǎo)問(wèn)題，因此只有一個(gè)橫截面需要分析。在這的橫截面，所述內(nèi)半徑等于所述鋼絲繩半徑，即R0= 1.9毫米，其厚度為2.1毫米，橫截面為半環(huán)形，其橫截面面積和網(wǎng)格分布示于圖5。有半徑20等分和在外圍80等分。
圖5 物理模型尺寸和網(wǎng)格分布
4.2 墊片的屬性和初始邊界條件
1) 材料特性：PVC塑料與密度（ρ）1390千克/平方米，比熱（Cp）1842.2焦耳/（千克·℃），熱導(dǎo)率（λ）0.145（W/（平方米·℃）;
2) 大小和動(dòng)態(tài)參數(shù)：內(nèi)徑為1.9毫米，外半徑為4毫米，T2=217.56 N和V=69.33毫米/秒;
3) 邊界條件：AB，BC和CD邊隔熱有相等的熱通量;初始條件：T=0，T0 =20℃，R= 4毫米，Q =0 R=1.9毫米，q = q0。
我們采取鋼絲的外殼角繩索和摩擦輪作為和摩擦力
圖6 溫度和熱通量在一定時(shí)間分布
溫度和熱流量的變化過(guò)程在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)被顯示在圖7，在不同的距離選擇沿著從靠近半徑的點(diǎn)。前40秒鐘該曲線(xiàn)在小的徑向點(diǎn)是大，這表明當(dāng)溫度上升并相對(duì)于所述墊圈3鋼絲繩的系數(shù)為0.35，在假定的摩擦力的5％熱傳導(dǎo)到墊片和熱通量墊片是每單位長(zhǎng)度的圓的摩擦熱。其計(jì)算公式可以推導(dǎo)出公式（1）和（3）
因?yàn)殡p方的熱通量為零，則該計(jì)算值可以直接加入到在橫截面擴(kuò)大的每個(gè)結(jié)點(diǎn)[10]。
4.3 結(jié)果與分析
結(jié)果如溫度場(chǎng)，熱通量場(chǎng)，熱梯度場(chǎng)可以在繪圖上顯示，這可以使各物理量的變化與時(shí)間或空間更直觀[11]。
溫度和熱通量的分布在一定時(shí)間清楚地顯示在圖6，這表明溫度逐漸降低在半徑折痕，等溫線(xiàn)是同心圓弧半圈，熱通量具有對(duì)稱(chēng)分布和徑向減小。
熱通量梯度大，所以熱傳導(dǎo)是在不正常的階段。過(guò)一會(huì)兒的斜坡曲線(xiàn)接近一個(gè)固定的值，這意味著熱通量在這些點(diǎn)是恒定的，溫度升高和每個(gè)點(diǎn)的熱通量梯度成為濃度恒定，從而使熱傳導(dǎo)是在一個(gè)穩(wěn)定的階段。
圖7 變化的溫度和熱流量的過(guò)程在一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)
圖7a為線(xiàn)1，2，3，4比理論值，而線(xiàn)1’，2’，3’，4’代表測(cè)試溫度）。
從圖中可以看出圖7b，該熱流的折痕半徑逐漸日益增加，這是節(jié)能減排的結(jié)果。作為在熱流的邊界的模型內(nèi)進(jìn)行，其中的一部分傳輸?shù)絾卧臒岜挥糜谀茉醋兓膯卧?；換句話(huà)說(shuō)，它提供了能量使溫度上升，而其他部分出口到其他單位，這些結(jié)果表明墊圈的瞬態(tài)溫度場(chǎng)可準(zhǔn)確地模擬，由計(jì)算機(jī)和數(shù)字仿真可以反映但不能在實(shí)踐中測(cè)量(例如墊圈的內(nèi)側(cè))部分溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì)。
5 測(cè)試
該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證結(jié)果的模擬，該實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以同樣的方式作為真正的懸掛狀態(tài)。鋼絲繩上滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)輪是一個(gè)卷軸由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，滑動(dòng)速度是由直流電動(dòng)機(jī)的電壓控制，通過(guò)一個(gè)變壓器和應(yīng)力對(duì)墊片調(diào)節(jié)是由不同的配重調(diào)整。該條件的絕對(duì)滑動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)絞盤(pán)是固定的，條件相對(duì)滑動(dòng)也可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，不同速度由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯和絞盤(pán)，絕對(duì)滑動(dòng)或相對(duì)速度滑動(dòng)可以由測(cè)速發(fā)電機(jī)進(jìn)行測(cè)量和光電傳感器的拉伸力，在進(jìn)口和測(cè)試部分的出口通過(guò)拉伸來(lái)測(cè)量力傳感器和溫度通過(guò)以下方式測(cè)定淹沒(méi)熱電偶溫度計(jì)。已被證明，鋼絲繩滑動(dòng)在很短的時(shí)間，理論值和測(cè)量值基本上匹配，因此，在滑動(dòng)的開(kāi)始，熱量從墊片被轉(zhuǎn)到接觸面積和溫度的分布在所述墊圈可以用數(shù)值計(jì)算仿真?；瑒?dòng)的后期可以理解積累的熱量已經(jīng)影響了墊片表面，并導(dǎo)致其熱的放大電導(dǎo)率[12]，這說(shuō)明不符合同情形測(cè)得的溫度與理論之間在后期的價(jià)值。
6結(jié)論
建立鋼絲繩和墊圈之間的熱傳遞模型，這可用于不同的密封墊。模擬后期的溫度場(chǎng)重量和速度，氣溫逐漸取消折痕，模型半徑增加，而模型中的等溫線(xiàn)的同心半圓弧線(xiàn)熱焊劑具有對(duì)稱(chēng)分布并徑向減小，鋼絲繩滑動(dòng)時(shí)理論值吻合。
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