风力机盘式制动器的热-结构理论模型分析

太原科技大学学报 V〇1.39 N〇.5

Oct. 2018

JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY OF SCII：NCE AND TECHNOLOGY

文章编号：1673 -2057(2018)05 -0374 -05

风力机盘式制动器的热-结构理论模型分析

刘海玲，殷玉枫，鹿传财，高崇仁

(太原科技大学机械工程学院太原030024)

摘要

：充分考虑了风力机制动盘不同表面有不同的边界条件，将制动盘和摩擦衬片各分为了 3部

分，分别分析和讨论了其边界条件。在此基础上建立了风力机盘式制动器的热一结构耦合模型，使用直 接耦合的方法，利用有限元软件ansys模拟了制动盘的温度场、摩擦衬片的应力场。模拟结果显示：摩擦 衬片上温度分布是不均勾的，制动盘上的应力分布也是不均勾的，制动盘应力分布最高的区域集中在摩 擦接触表面；温度越高的区域应力也就越高，应力场和温度场的分布基本是一致的。

关键词：风力机;盘式制动器；热结构耦合

中图分类号：O343.5 文献标志码：A doi:10.3969/j.issn. 1673 -2057.2018.05.009

随着经济的增长，风力机行业迅速发展，但是， 目前我国对风力机制动器的研究还没有成熟，严重 制约着我国风力行业的发展。风力机制动器在制 动过程中，制动器的温度和应力是瞬态变化的，同 时风力机制动器的温度和应力是相互影响的。研 究温度场和应力场的耦合分析是分析风力机制动 器寿命的重要前提，是制动器材料选择的重要 依据。

J. R. Baber[1]等研究分析了热弹性不稳定的问

国内在研究制动器的制动过程时，主要关注于 制动器的温度场的分布，对制动器的耦合特性范畴 的研究较少，所以国内的有关的研究集中在制动器 的温度场的分布。李亮针[4]建立了有限元模型，并 通过实验验证了模拟的结果，同时分析了盘式制动 器接触界面的温度场、应力场和热变形等很多原 因，分析结果表明盘式制动器接触界面上的压力分 布并不均勻。张立军等[]对不同厚度的制动盘测 量其温度和几何形变，分别分析了制动盘的制动压 力和制动盘的几何特征对制动盘热应力耦合结果 的影响。实验结果表明:制动盘发生几何形变的主 要原因是制动盘制动过程中温度的升高，制动盘不 同厚度对制动盘温度也有一定的影响。杨智勇 等[6]通过试验，结果表明建立有接触模型的热一机 耦合的模型，模拟出的结果更符合实际情况，模拟 结果显示，制动盘在制动过程中热斑的分布是不均 勻的，这是因为制动盘局部的压力过大导致的，这 也导致了在制动盘上温度和应力分布的不均。

题，通过实验得出热弹性不稳定现象对制动盘的制 动性能有着非常重要的影响，同时也得到了制动盘 和摩擦衬片的“hot spot”的分布，得到了热弹性不稳 定现象的临界瞬时速度。Voldridllsliy[2]研究了摩 擦表面的相对速度，通过与临界滑动速度相比，发 现了制动盘表面“hot spot”形成的主要原因，同时还 发现制动盘的热疲劳破坏有可能也与“ hot spot”有 关。Mesut Duzgun[]建立了通风制动器三维模型， 分析了在制动器重复连续制动的情况下通风制动 器的热行为，分析了不同的三种方案。

收稿日期:2017结2结2

基金项目：山西省回国留学人员科研资助(2014结63);太原科技大学研究生科技创新项目（20151018)

作者简介:刘海玲（1987 -),女，硕士研究生，主要研究方向为机械结构动态特征。

第39卷第5期刘海玲，等:风力机盘式制动器的热-结构理论模型分析375

1风力机热-结构耦合有限元模型的建立

境的温度是相同的，即温度场的初始温度就是周围 环境的温度，我们较常用的环境的温度为一年内温 度的平均值，认为制动器的初始条件为：

T = T

T—T—

1.1风力机热传导模型的建立1.1.1

风力机制动器热流密度的分配

⑴）

风力机制动器的热载荷主要来源于摩擦产生 的热流密度，摩擦表面的热流密度满足公式：

q( %，，，，= /^p( %，，，，v( x，，，，=风力机盘式制动器的初始温度；环境温度，环境温度为20 °c.

⑴）边界条件

⑴

制动盘和摩擦衬片的边界条件采用第三类边 界条件，即已知制动盘和摩擦衬片表面与周围环境 其中：q(%，，）—

输入的热流密度；

n---制动副摩擦系数；

Pi %，，—摩擦表面比压；

U(

—

摩擦盘和衬片的相对速度；F( %，， 制动压力；

S—

摩擦衬片有效接触面积；(〇—制动盘角速度；

r—

摩擦盘和衬片有效作用半径。

制动器摩擦表面的热流密度满足公式：

q(%，y，f) = qd + qp ⑴)q

=( kdcdPd、+ ⑶

q

、KcPpP)其中：A为热传导系数；p为密度；1. 1.2风力机制动器的热传导方程

风力机在制动时，摩擦衬片固定不动，而制动 盘作逆时针转动，制动盘没有内热源。风力机摩擦 盘和衬片分别在直角坐标下的热传导方程：

抓dAd( 「dd%'%d)+

Td)

d% %%dj(\\dd\\ \\)+_

dt

Pd( Td)C( Td) dzdl%Td)\\<

Ldzf⑴

dTp

「％(d% %+立dy(\\dd\\ )\\

+1ATdtpPWT

)

L

-立dz(\\%T)

dz f

-其中：c，c—风力机制动盘、衬片的比

热

Ad , Ap—风力机制动盘、衬片的热导率，Td，Tp—风力机制动盘、衬片的温度

t—

风力机制动时间

1. 1.3

风力机制动器的初始条件和边界条件

(1)初始条件

风力机在没有制动之前，认为制动器与周围环

产生的热量交换。

对于制动盘来说，摩擦界面、中间界面和其他 界面作为主要的换热界面，摩擦界面是制动盘和摩 擦衬片相接触的那部分表面。这部分表面只承受 热载荷，即热流密度，这部分表面的边界条件为热 流密度、热传导和热辐射，其数学表达式为：

Ad ^T

=-〜溆 Td4 - T/) + A( Tp - Td) + qd ⑴）

其

中—制动盘的换热系数；

Td—风力机制动盘的温度；T—风力机摩擦片的温度；A—

辐射面积；

〜—

斯特芬玻尔兹曼常数。

中间界面是除了摩擦界面之外的与周围环境 不接触的界面，故其只承受制动盘的热传导，所以 中间界面的边界条件为热辐射以及与空气的对流 热， 数学表达 为：

Ad f

^T

=-〜（ Td -T) - (7〇A( Td 4 -T/)⑴）

界面

是除了 摩擦界面 中 界面

外的界面，也就是制动盘与周围环境相接触的表

面， 主要 受 与 周 围 环 的 对

热 热辐射，

界面 的 界 件为 对

热 热辐

射，数学表达为：

Ad|f =-MTd-T) -CT〇A(t4-T;)⑴）

边界条件对于摩擦衬片来说，与制动盘的边界

条件是相似的，也可以分别分为三个部分，即摩擦 界面、中间界面和其他界面，界面的范围也是类似 的。摩擦界面是摩擦衬片上与制动盘相接触的表 面;而中间界面是除了摩擦界面之外的摩擦衬片上 不与周围环境相接触的表面;而其他界面就是除了 摩擦界面和中间界面之外的摩擦衬片上的其他表

376太原科技大学学报2018 $

面。摩擦衬片上不同的界面的边界条件与制动盘 的相对应的界面上的边界条件是相似的。1.2风力机盘式制动器热应力的计算

机

了线弹 为温度

制动器在制动过程中

为a47\\即：

生

中：

A、。

&—热-结构耦合作用下风力机制

动器在三个方向上的应变；

yiy、jyz、r*2---热-结构耦合作用下风力机

形，但形状保持。则 生的热

为0,因

制动器在三个方向上的剪应变。

根据弹 学理论， 机 制动

器热一结构耦合下的应力^和应变&之间的

a—线膨胀系数；AT—

物

的温度；e〇、e〇、e〇----因为温度变化产生的在x、y、z

三个方向上的热

；

Y〇、y〇2、，—因为温度变化产生的在X、y、 z三个方向上的

。

度

生的热应变时，制动器的应

为：

St =

~ ay +sy _ = y1 Lr ay -f^(. (rx + (r2)ln

(10)

S2 _ - ^1 rL

- -^( (Tx + (7y)n

J

其中：i----风力机制动器在三个方向上的 ；y„j、jyz、r*2---风力机制动器在三个

方向 上的

；

^

、cry、cr

2----x、y、z方向的正应力；

TXJ、TJZ、Txz ----X对应平面的切应力；E— 机制动器的弹性模量；G—

机制动器的 模量；

^—

机制动器的泊松比。

是

热 ，风力机

制动器的应变

就必

上

热

，公式（0)变成了 ：sx ==sx+ s〇° =I丄

ra _/x( (Ty+

+ 〇ATs =_ s+ s〇 =Y1rr

a a

+ a + aAT

1

(11)

s ==s,+ s〇

=YLa -/jXay+ a7)] +1=~GTxy，y

z=1

y，yy=

丄丁xz

系：

a = Ds

(12)

其中：_ 1^ ^ T

t

|

s = s, sT s2 Y Y yz%D一一风力机制动器弹性矩阵。

2风力机盘式制动器热-结构耦合流程图风力机制动器温度分布不均，将导致制动器发

生热弹 形，而热弹 形也会对 机的温度产生影响，所以制动盘的温度和应力之间不是

在的，而是相互影响的。图1是 机制动器温

度场、

、变形

的耦合关系流程图。

图1风力机制动器温度场、应力场、变形之间的耦合关系图

Fig. 1 The coupling relationship of temperature field, stress field and deformation of wind turbine brake

3风力机盘式制动器热-结构模拟结果

3.1风力机摩擦衬片应力场的模拟结果

利用anSyS有限元软件模拟风力机盘式制动器 制动器温度

的

情况。

机摩擦

第39卷第5期

刘海玲，等:风力机盘式制动器的热-结构理论模型分析

377

的等效应力分布如图：

(b) 10 s时风力机摩擦衬片的等效应力分布

图2风力机摩擦衬片的等效应力分布

Fig. 2 Equivalent stress distribution of

wind turbine friction lining

从图2可以看出：对于制动 ，从制动

开始到制动结束，制动 触表面的温度.升

高，并且温度

则是

明显的

。整个制动过程中，制动衬片的最 度是

上升 的，并且最大温度 在摩擦面的最外端部分，这

是因为在整个制动过程中，这部分区域

受最大

摩擦热流的 ，而且因为制动 的摩擦面 .制动盘的表面，

部分区域不受散热以及

热辐射影响， 度会

。而摩擦 四周表面也吸 了差不多相同多的热量，产生的

度梯度是很小的，所以摩擦

中心的热

散

的很慢。而摩擦 四周因为与周围

的强制

热对

热辐射，相对来说扩散的热量相对较多。

3.2

风力机制动盘的温度场和应力场模拟结果

thermal 5.35687147_2962-structural

2331.175573-114715.054856-993998.9331140-871282.81

图3风力机制动盘的温度分布

Fig. 3 Equivalent stress distribution of wind turbine friction lining

从图3可以看出制动盘表面温度的分布是不 均勻的，制动盘外侧的温度最高，内侧的温度最低。 摩擦

与制动盘的摩擦区域主要集中在制动盘

的外侧，

度最先

的区域也在制动盘的外侧，同样的制动盘外

是温度

的最快的区

域。制动盘内侧因为没有摩擦产生的热量，温度的

主要依靠制动盘外侧与内侧的温度产生的温 度梯度

的热传导，所以制动盘内侧的温度升高

的也不快。

着时间的增加，摩擦产生的热量急剧增大，

风力机

制动器的短时间内

全使这些热散，所以制动盘的温度

着制动时间的增加

。制动盘的温度的较

主要 在制动 盘与摩擦 的接触摩擦处，这是因为在这些区域温度的 主要是因为制动

摩擦

的摩

擦生热， 触摩擦区域的温度主要是因为接触摩擦处比 触摩擦处的温度高，产生了温度梯度，接触摩擦处的温度通过温度的传递到非接触摩 擦处， 触区域的温度

于接触摩擦处

的温度。从整个制动盘来看，温度的

是不均

勻的。

在制动盘盘面上沿制动盘的径向方向节点，得到 风力机盘式制动盘表面的温度沿制动盘径向方向的变

。从图中可以看出温度最大为469.128 °C，温度

378

469.128424.913380.694336.475292.256248.037203.818159.599115.3871.16126.942

太原科技大学学报2018 $

到摩擦区域再到非摩擦区域。在距离为1.4左右 制动盘的温度开始有明显的

，上升的趋势

5. 4左右的

持续到3.7左右，之后开始下降。 盘最外面的表面的温度为71.942 °C.

地方，制动盘的温度下降到了 80 °C左右。而制动

4

(X10**-2)

结论

(1)风力机制动盘不同表面有不同的边界条

件。摩擦 用的，不是

的 着制动时间的 。

(2)风力机制动过程由温度场和应力场共同作

在的，两者存在耦合关系。

(3)风力机制动盘在接触摩擦区域的温度和应

的动

分

布

沿

着

再

下

降

。这是因为制

胃大。同时制衬片的温度和应力分$W$4;。

度较高的区域为摩擦制动的区域，而温度较

的区域为非摩擦区域，也就是从制动盘摩擦区域

参考文献：

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Establishment of Axisymmetric Thermal Structure Theory

Model and Analysis on Wind Machine Disc Brake

LIU Hai-ling , YIN Yu-feng，LU Chuan-cai，GAO Chong-ren

(School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China)Abstract ： Fully considering different boundary conditions on different surfaces of wind dynamic plate， the brakedisc and friction lining are basis of the establishment of a

respectively wind

divided into

three

parts, and its boundary

turbine disc that

brake thermal-structure coupling model, using

on the

temperature

the

condit

method，finite element software Ansys was used to simulate the temperature field and friction lining stress field ofbrake disc. Simulation results show the frictional contact

surface. The

the friction lining

is,

distribution on the brake disc is uneven，the stress distribution of brake disc of the highest areas concentrated in

higher the temperature

regional stress is higher, the

field and temperature field in the basic is the same.Key words：wind turbine，disc brake，hot-structure coupling

distribution is